Diseño protésico de articulación subastragalina y mediotarsiana

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INFORMÁTICA INGENIERÍA DE LA SALUD DISEÑO PROTESICO DE ARTICULACIÓN SUBASTRAGALINA Y MEDIOTARSIANA PROSTHETIC DESIGN OF SUBTALAR AND MIDTARSAL JOINT Realizado por Manuel García Guerrero Tutorizado por Víctor Manuel Smith Fernández Francisco Ezquerro Juanco Departamento Anatomía Humana, Medicina Legal e Historia de la Ciencia Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos UNIVERSIDAD DE MÁLAGA MÁLAGA, 14 de Septiembre de 2016 Fecha defensa: El Secretario del Tribunal Resumen: Objetivos. Se pretende dar una solución a las fracturas de cuello astragalino, cuyos tratamientos actuales no resultan eficaces y acaban en la fusión de los huesos de la articulación mediotarsiana produciendo una pérdida de movilidad y funcionalidad. Material y método. Se ha tomado el astrágalo de un cadáver sobre el que se realiza el estudio. Sobre este astrágalo se han tomado unas imágenes tridimensionales en forma de malla de puntos con los que se trabaja para realizar el diseño protésico de las dos componentes, la cabeza astragalina y el implante. Este modelado se ha realizado mediante el software CAD SolidWorks. Resultados. Se han evaluado la semejanza que tiene nuestra componente de la cabeza astragalina con la cabeza astragalina original, para ello se han realizado mediciones con el programa SolidWorks. En dichas mediciones obtenemos resultados bastante buenos en los que el error que se comete es muy pequeño, haciendo nuestro diseño muy parecido al anatómico. Conclusiones. El diseño protésico tiene el objeto de dar una solución ante las fracturas de cuello del astrágalo, que actualmente no posee tales reemplazos protésicos en el mercado. Esta solución evita las problemáticas que esta lesión puede generar y además es capaz de mantener la movilidad y funcionalidad de la articulación mediotarsiana. Palabras clave: astrágalo, articulación mediotarsiana, prótesis, cabeza astragalina, fractura de cuello del astrágalo, osteonecrosis Abstract: Objective. It is intended to provide a solution to the astragalus neck fractures, which current treatments are not effective and end up in the fusion of the bones of the mid-tarsal joint resulting in a loss of mobility and function. Material and method. Astragalus has been taken from a corpse about which the study is made. This astragalus have taken a three-dimensional images in a grid of points with which we work for the prosthetic design of the two components, the talar head and implant. This modeling was performed using the SolidWorks CAD software. Results. We have evaluated the resemblance of our component of the astragalus head with the original astragalus head, for it has been made measurements with the SolidWorks program. In these measurements we get pretty good results, in which the error committed is very small, doing our design very similar to the anatomical one. Conclusions. The prosthetic design is intended to provide a solution to the astragalus neck fractures, which currently has no such prosthetic replacements on the market. This solution avoids the problems that this injury can generate and is also able to maintain mobility and functionality of the mid-tarsal joint. Keywords: astragalus, mid-tarsal joint, prosthesis, astragalus head, fracture of astragalus head, osteonecrosis ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1 1. ANATOMÍA DEL ASTRÁGALO .......................................................... 1 2. SUPERFICIES ARTICULARES DEL ASTRÁGALO ................................. 4 3. MOVIMIENTOS DEL ASTRÁGALO .................................................... 5 4. DISEÑO PROTÉSICO ........................................................................ 8 5. RELEVANCIA CLÍNICA .................................................................... 12 2.PLANTEAMIENTO Y OBJETIVOS .............................................................. 18 3.MATERIAL Y MÉTODO ............................................................................ 19 1. DISEÑO DE CABEZA ASTRAGALINA ............................................... 19 2. DISEÑO DE IMPLANTE .................................................................. 24 4.RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................... 28 1. RESULTADOS DEL DISEÑO DE LA CABEZA ASTRAGALINA ............. 28 2. RESULTADOS DEL DISEÑO DEL IMPLANTE .................................... 31 5.CONCLUSIONES ....................................................................................... 33 1. INTRODUCCIÓN  El trabajo que se muestra a continuación se enmarca en dos áreas de conocimiento, por un lado el área de la anatomía del cuerpo humano y por otro el área de la biomecánica y prostética. El conocimiento de la forma, ubicación, disposición y relación de cada una de las partes de nuestro cuerpo es el que nos ofrece la anatomía, es por tanto un campo de conocimiento muy extenso y muy útil en nuestro cometido como ingeniero biomédico. Además de esto, la ciencia de la biomecánica y prostética nos ofrece una visión muy importante también, en ella podemos conocer el comportamiento cinético y mecánico de cada una de las partes de nuestro cuerpo, así como las cargas que estos soportan, los ejes de rotación, etc. La sinergia de ambas ciencias, por tanto, es imprescindible en la labor de ingeniería. En este caso en concreto, el principal protagonista del trabajo que se presenta a continuación va a ser el astrágalo, para ello se presentará la anatomía de éste, su diseño protésico y la relevancia clínica de él. 1. Anatomía del astrágalo El astrágalo es un hueso que se localiza en la parte posterior del tarso, siendo el hueso más prominente del conjunto, encargándose de distribuir todo el peso del cuerpo sobre todo el conjunto del pie. Las articulaciones del pie son muy numerosas y tienen una gran complejidad; como toda articulación su principal función es la de unir dos huesos, ofreciéndoles a estos una movilidad guiada por las diferentes estructuras de las que están compuestas. En el pie encontramos principalmente articulaciones que unen huesos del tarso entre si y a su vez conectan estos con los del metatarso, entre ellas encontramos: - la articulación subastragalina; - la articulación transversa del tarso o mediotarsiana; - la articulación tarsometatarsiana; - y las articulaciones cuneocuboidea y cuneonavicular. Las mencionadas articulaciones tienen una función doble, estas son: - la orientación del pie respecto a los otros dos ejes, de forma que el pie se pueda ubicar adecuadamente con respecto al suelo sea cual sea la inclinación del terreno y la posición de la pierna. La articulación subastragalina es la principal encargada de esta función. - modificación de la bóveda plantar para que el pie se pueda adaptar a las desigualdades del terreno. 1 En resumen, las funciones para las que están destinadas estas articulaciones son primordiales. El astrágalo posee unas superficies articulares (que se explicarán detalladamente más adelante) que son las encargas de distribuir la carga y fuerzas que se ejercen sobre él, estas fuerzas se pueden agrupar según la dirección a la que están dirigidas (Figura 1). Se recibe la carga principal que es la del peso del cuerpo sobre la cara articular superior, es decir, la fuerza que recibe la tróclea astragalina en dirección vertical y esta es distribuida en tres direcciones distintas a través de las distintas caras del astrágalo: - La fuerza dirigida hacia atrás (flecha roja), es decir, hacia la tuberosidad mayor del calcáneo (el talón). La carga es distribuida a través de la articulación calcáneo-astragalina posterior (cuerpo del astragalo). - La fuerza dirigida hacia delante y adentro (flecha amarilla), es decir, hacia el apoyo anterior e interno. La fuerza en este caso se transmite mediante la articulación astragaloescafoidea (cabeza astragalina). - La fuerza dirigida hacia delante y afuera (flecha verde), con otras palabras, hacia el apoyo anterior y externo. Se sirve de la articulación calcáneoastragalina anterior para la distribución de carga del cuello del astrágalo. La relativa repartición de las fuerzas en el apoyo sigue la siguiente proporción, 1/6 de la carga le corresponde al apoyo anteroexterno (flecha amarilla), 2/6 al apoyo anterointerno (flecha roja) y 3/6 al apoyo posterior (flecha verde). Sin embargo es el talón el que soporta la mayor fuerza, casi la mitad del peso del cuerpo cuando estamos en bipedestación, vertical e inmóvil. Mediante estudios baropodométricos se puede confirmar que el 60% de las fuerzas son distribuidas hacia el calcáneo y el 40% restante hacia el antepie1. Figura 1: Distribución de cargas en el astrágalo2. 1 Viladot Voegeli, A. «Anatomía funcional y biomecánica del tobillo y el pie». Revista Española de Reumatología 30, n.o 9 (2003): 469-77. 2 A. I. Kapandji. (2015). Fisiología Articular. Tomo 2: Cadera, rodilla, tobillo, pie, bóveda plantar y marcha. Madrid: Editorial Médica Panamericana. p.187 2 La transmisión de estas fuerzas antes mencionadas se pueden confirmar (Figura 2) observando la disposición que tienen las trabéculas óseas del astrágalo: - En la cabeza estas líneas trabeculares se dirigen horizontalmente hacia la parte anterior del pie. - En el cuello las trabéculas siguen la misma orientación que en la cabeza pero en esta zona la densidad ósea es mucho menor, esto junto a la disposición de estas líneas trabeculares hacen que la fractura del cuello astragalino sea común en golpes verticales. - En el cuerpo astragalino las líneas trabeculares se orientan de forma oblicua hacia la carilla subastragalina, distribuyendo por tanto las cargas hacia la articulación subastragalina. Figura 2: Disposición de las trabéculas en el astrágalo3. Sobre este hueso no existen ningún tipo de inserciones musculares, todos los músculos pasan alrededor del hueso formando una especie de capsula que encierra al astrágalo dejándolo ‘enjaulado’, se pueden contar hasta trece tendones que encierran al astrágalo. Al no disponer de ninguna inserción muscular el astrágalo se sirve de los vasos sanguíneos que llegan de las inserciones ligamentosas para nutrirse, siendo este aporte suficiente para condiciones normales, ya que en caso de fractura del cuello del astrágalo se podría producir una necrosis aséptica en el cuello de este. Además de ello y como ultima característica especial el astrágalo se encuentra totalmente cubierto por superficies articulares e inserciones ligamentosas que lo hacen ser un hueso primordial para la movilidad del pie. El hecho de que casi toda su superficie exterior se encuentre ocupada por superficie articular es un factor más que compromete su vascularización, ya que los vasos solo pueden acceder al hueso en las zonas desprovistas de superficie articular. 3 Krause, M., Rupprecht, M., Mumme, M. et al. Clinical Orthopaedics and Related Research (2013) 471: 3663. 3 tolerancia a altas cargas y resistencia a tracción y fatiga sin fractura. Estas aleaciones tienen mucha versatilidad, pueden sintetizarse en diferentes proporciones para adquirir otras propiedades distintas. El titanio comercialmente puro es un material extraordinario para ser usado en prótesis. Además de ser muy resistente, adaptable y compatible; no produce reacciones alérgicas y en los tejidos vivos representa una superficie sobre la que el hueso crece y se adhiere al metal, formando un buen anclaje. El titanio se caracteriza por su ligereza, alta resistencia a la corrosión, bajo módulo de elasticidad y baja expansión térmica, estas propiedades más la biocompatibilidad han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de enorme utilidad para fines médicos. La desventaja que cabe destacar de este espectacular metal es el alto precio, ya que el proceso de fabricación es complicado. Las aleaciones de titanio tienen características mecánicas y de moldeo que las hacen adecuadas para aplicaciones médicas, ya que estas tienen una mayor resistencia a la corrosión, incluso mayor que las de aceros inoxidables y las aleaciones Cr-Co.12 - Biocerámicas: estas cerámicas tienen una excelente biocompatibilidad y además les caracteriza su resistencia a la corrosión, alta dureza y resistencia al desgaste. Estas características hacen que sea usada en aplicaciones donde hay articulación de superficies y baja fricción. La característica especial de estas cerámicas es que se pueden hacer porosas, de manera que puede ayudar al hueso a crecer en esta estructura fortaleciendo la unión y fijación de esta con el tejido óseo. La hidroxiapatita es un material formado a partir de fosfato tricálcico ofreciéndole una excelente biocompatibilidad. Tiene un alto potencial osteoconductivo permitiendo que el hueso crezca en su estructura. Se usa con mucha frecuencia con el titanio para garantizar una perfecta osteointegración del implante metálico. Además de esta aplicación, se emplea como reemplazo óseo en el caso de alguna carencia de este, su contenido en calcio hace que se parezca mucho al hueso. La alumina u oxido de aluminio es una cerámica adecuada para el reemplazo de algunas articulaciones debido a su excelente resistencia a la corrosión, alta resistencia al desgaste, alta solidez y alta biocompatibilidad. La desventaja de este material es su fragilidad ante golpes de alta energía.13 12 Navarrete, L. (2013). Materiales para prótesis internas. Universidad Técnica de Ambato.p 3-4 13 Navarrete, L. (2013). Materiales para prótesis internas. Universidad Técnica de Ambato.p 5 10 Otra cuestión importante en el diseño protésico es la forma de anclaje que va a tener este, de cuantas componentes estará formado y como estas componentes van a ir fijadas entre sí. Existen multitud de aspectos que varían entre una solución u otro y esto depende en muchos casos del estado del paciente. En cuanto al anclaje de la prótesis con el hueso se dan dos posibles opciones: - Prótesis cementada: se emplea un cemento óseo especial, normalmente de polimetilmetacrilato (PMMA), este cemento se esparce por la superficie donde la prótesis y hueso hacen contacto. Este método de fijación es instantáneo y el tiempo de recuperación es bastante más corto que en el caso de las prótesis no cementadas. Están recomendadas para pacientes mayores que tiene poca actividad física durante su día a día, ya que una actividad muy elevada podría provocar desprendimientos de porciones de cemento y por tanto aflojamiento de la prótesis. Sin embargo, actualmente han mejorado algo estos cementos óseos reduciendo estos problemas. - Prótesis no cementada: en ellas no se emplea el cemento óseo sino que se aplica una técnica que se conoce como ajuste por interferencia (press-fit). Esta técnica consiste en introducir a presión la pieza (vástago o implante) en el hueso, en un hueco más pequeño que la pieza. Al hacerlo, la fuerza de esa sujeción y el rozamiento hacen que se sujete la prótesis. Esta fijación es mucho más fuerte si se da un recubrimiento poroso a la superficie de la prótesis que está en contacto con el hueso (acabado rugoso), ya que se da el proceso conocido como osteointegración. Una vez hemos introducido la prótesis en el hueso y, por tanto, se han cambiado las condiciones mecánicas en el mismo tenemos que se dan procesos de remodelación ósea. En ellos, se crean nuevas trabéculas con nuevas orientaciones. Esta forma de anclaje no es muy recomendable para personas mayores ya que por regla general poseen huesos con menor densidad ósea y el proceso de remodelación ósea funciona con más lentitud que una persona joven. La desventaja que tiene este método de fijación es que el tiempo de recuperación es mucho mayor que en el caso de las cementadas ya que hay que dejar que crezca el hueso y se integre con la pieza protésica. Se suele emplear también en este procedimiento de press-fit un recubrimiento superficial de hidroxiapatita para facilitar el proceso de osteointegración inicial.14 14 Zambudio, R. Prótesis, órtesis y ayudas técnicas. Elsevier Masson, 2009. 11 5. Relevancia clínica Las fracturas del astrágalo se consideran las lesiones más graves del tobillo por su complejo tratamiento y las secuelas que estas pueden dejar. Estas fracturas son poco frecuentes, puesto que el astrágalo se encuentra bastante bien protegido por los tejidos que lo rodean y mantienen en su posición. Son generadas principalmente por traumatismos de alta energía, generalmente accidentes de tráfico y caídas desde una altura considerable. Las fracturas del cuello astragalino desplazadas son lesiones complejas que precisan una reducción y estabilización perfectas para lograr un resultado satisfactorio, para ello el cirujano que trate estas fracturas debería estar preparado para hacer estar reducción y fijación con gran seguridad y sin fallos además de realizar un seguimiento del tratamiento posterior, y con todo esto no garantiza un resultado óptimo. El astrágalo es un hueso singular en cuanto a sus características anatómicas, como hemos introducido anteriormente, y su vascularización proviene de tres arterias principales y de sus correspondientes ramas. Entre ellas tenemos la arteria tibial posterior, que proporciona la mayor parte del aporte vascular intraóseo, la arteria tibial anterior y la rama perforante anterior. El hueso no posee inserciones musculares o tendinosas en su superficie que pudieran aportar una mayor zona de aporte vascular, por el contrario se encuentra recubierto de cartílago en un 60% o 70% de su extensión lo que reduce a un más las zonas por las que puede recibir aporte sanguíneo, manteniéndose en su posición gracias a las estructuras capsulares, ligamentosas y sinoviales que le unen a los huesos adyacentes. Por esta razón las fracturas del cuello del astrágalo llevan asociadas un alto índice de necrosis avascular del astrágalo.15La necrosis avascular, osteonecrosis o necrosis aséptica es una enfermedad causada por la pérdida temporal o permanente del flujo de sangre al interior de los huesos. El tejido óseo cuando carece de sangre muere y hace que este se colapse. Si este proceso envuelve a los huesos cerca de una articulación, normalmente lleva al colapso de la superficie de la articulación. Existen 4 tipos de fractura del cuello del astrágalo, hay que decir que el 50% de las fracturas de astrágalo son las de cuello.16 Esta fractura aparece porque esa zona del hueso posee un hueso trabecular menos denso y con direcciones horizontales, de manera que no es capaz de soportar un choque contra el reborde anterior de la tibia en un movimiento de dorsiflexión (Figura 8). Cuanto mayor sea la luxación en del cuerpo del astrágalo, mayor es la lesión de la vascularización y por tanto mayor es el riesgo de osteonecrosis. 15 Ladero, F., y V. Concejero. «Fracturas del astrágalo». Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología 48, n.o 2 (1 de enero de 2004): 145-56. 16 Hawkins LG. Fractures of the neck of the talus. J Bone Joint Surg Am. 1970; 52:991-1002. 12 Figura 8: Movimientos de dorsiflexión y plantar flexión. Fracturas de tipo I Son fracturas verticales no desplazadas del cuello del astrágalo. La línea de fractura corta la articulación subastragalina entre sus carillas media y posterior, sin embargo el cuerpo del astrágalo se mantiene en su posición normal (Figura 9). En esta lesión se interrumpe solo un aporte vascular de los tres existentes, de manera que el índice de osteonecrosis en este caso es muy bajo. El diagnostico de esta lesión por radiología convencional puede resultar complicada, por lo que sería necesaria la tomografía axial computarizada o la resonancia magnética para su detección. Estas fracturas tienen por regla general un tratamiento bastante eficaz en ella se realiza una inmovilización del pie con una bota de yeso que debe mantener el paciente durante 6 u 8 semanas aproximadamente. La vigilancia en este tratamiento es extrema ya que habría que diagnosticar con rapidez los posibles desplazamientos en la zona de fractura y así poder tomar otras opciones de tratamiento que resultan más agresivas, normalmente estos desplazamientos no ocurren y el tratamiento es bastante satisfactorio.17 Figura 9: Fractura de cuello astragalino de tipo I.18 Fracturas de tipo II Son fracturas verticales del cuello del astrágalo con un desplazamiento del cuerpo astragalino provocando, por tanto, una subluxación o luxación de la articulación subastragalina. La articulación tibioastragalina permanece intacta (Figura 10). En este tipo de lesiones son dos los aportes vasculares que quedan anulados 17 Ladero, F., y V. Concejero. «Fracturas del astrágalo». Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología 48, nº2 (1 de enero de 2004): 145-56. 18 Bray, T.J. Talar-Neck fractures: Open reduction internal fixation. Master Techniques in orthopaedics surgery: Fractures. CD-ROM. Lippincott Williams&Wilkins. 2000. 13 normalmente, esto hace que el índice de necrosis avascular sea mayor que las de tipo I. El tratamiento de estas fracturas es más complejo que las de tipo I y hay que ser también más cuidadosos en el tratamiento ya que estas dañan a los tejidos de alrededor por la subluxación o luxación. El primer objetivo en el tratamiento consiste en la reducción de las partes desplazadas y el segundo conlleva a la reducción del cuello teniendo especial atención en la posición y rotación del mismo. En este tratamiento conservador es necesaria la inmovilización del pie en flexión plantar forzada. Por el contrario, el tratamiento estándar es más invasivo, de forma que son unos tornillos los encargados de realizar la osteosíntesis y fijación de los huesos. Los resultados de ambos tratamientos no resultan ser muy eficaces ya que tras el abordaje quirúrgico existen múltiples complicaciones que conllevan a artrodesis astragalina y artrodesis tibioastragalina19. Con la artrodesis se fijan dos piezas óseas, anclando la articulación afectada, de tal forma que la movilidad que esta tenia originalmente se pierde. Figura 10: Fractura de cuello astragalino de tipo II.20 Fracturas de tipo III Se tratan de fracturas verticales del cuello del astrágalo vinculadas a luxaciones de las articulaciones subastragalina y tibioastragalina (Figura 11). En la mayoría de las fracturas de este tipo son interrumpidos los tres sistemas vasculares, por esta razón el índice de osteonecrosis es alto. El tratamiento es similar a las fracturas de tipo II con la única diferencia de que en este caso no existe un tratamiento conservador y que es necesaria una reducción de urgencia para aliviar la tensión de la piel y de las estructuras neurovasculares y así minimizar la probabilidad de necrosis avascular. En estos casos es necesario un fijador externo para llevar a cabo la reducción. Los resultados tras la intervención quirúrgica y tras un seguimiento son muy poco eficaces llevando finalmente a un tratamiento por artrodesis de tobillo, con la consecuente pérdida de movilidad del pie.21-22 19 Ladero, F., y V. Concejero. «Fracturas del astrágalo». Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología 48, n.º 2 (1 de enero de 2004): 145-56. 20 Bray, T.J. Talar-Neck fractures: Open reduction internal fixation. Master Techniques in orthopaedics surgery: Fractures. CD-ROM. Lippincott Williams&Wilkins. 2000. 21 Ladero, F., y V. Concejero. «Fracturas del astrágalo». Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología 48, n.º 2 (1 de enero de 2004): 145-56. 14 Figura 11: Fractura de cuello astragalino de tipo III.23 Fracturas de tipo IV Son fracturas verticales del cuello del astrágalo que llevan consigo una luxación o subluxación de las articulaciones tibioastragalina, subastragalina y astragaloescafoidea (Figura 12). Con bastante frecuencia se presentan también fracturas de calcáneo. Las vías de aporte vascular quedan completamente interrumpidas y el índice de osteonecrosis es altísimo. El tratamiento es de urgencia y en él se debe reducir y fijar internamente los huesos afectados con tornillos y en el caso de que este también el calcáneo afectado se debe emplear placas. Al igual que en las fracturas de tipo III los resultados no son óptimos y en muy pocos casos resulta satisfactorio.24 Figura 12: Fractura de cuello astragalino de tipo IV.25 22 Bernáldez Domínguez, P, S Navarro Herrero, A Prieto Álvarez, J Carrasco Ruiz, G Fernández Moreno, y A Luis Calero. «Tratamiento y complicaciones de las fracturas y luxaciones del astrágalo». Revista de la Sociedad Andaluza de Traumatología y Ortopedia 24, n.º 1 (2005): 32-47. 23 Bray, T.J. Talar-Neck fractures: Open reduction internal fixation. Master Techniques in orthopaedics surgery: Fractures. CD-ROM. Lippincott Williams&Wilkins. 2000. 24 Ladero, F., y V. Concejero. «Fracturas del astrágalo». Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología 48, n.º 2 (1 de enero de 2004): 145-56. 25 Bray, T.J. Talar-Neck fractures: Open reduction internal fixation. Master Techniques in orthopaedics surgery: Fractures. CD-ROM. Lippincott Williams&Wilkins. 2000. 15 En resumen, los tratamientos en cada uno de los tipos de fractura resultan ineficaces a excepción de las de tipo I, en las que el tratamiento conservador de la botina de yeso durante 8-12 semanas (6 semanas en descarga) resulta suficiente para que el hueso disecado se osteointegre de nuevo. Sin embargo, en las de tipo II, III y IV, la reducción abierta y la fijación interna mediante tornillos no garantizan el éxito. Estas fijaciones internas se realizan de diferentes maneras, entre ellas destacan: - Fijación en dirección posteroanterior (Figura 13): la configuración más resistente de todas, se colocan dos tornillos desde la parte posterior del cuerpo astragalino hasta la parte anterior dirigida hacia la cabeza. Figura 13: Fijación posteroanterior de cuello astragalino. - Fijación en dirección anteroposterior (Figura 14): esta disposición es la misma que en el anterior caso pero se realiza desde la cabeza del astrágalo hacia la parte posterior del cuerpo. Se emplean también dos tornillos. Se emplean sobretodo en reducciones abiertas. Figura 14: Fijación anteroposterior de cuello astragalino. Antes de la fijación interna mediante estos tornillos se preparan los huesos y se colocan en su posición anatómica, en este procedimiento (Figura 15) combinan el desplazamiento del cuerpo del astrágalo con el de la tibia y calcáneo con el fin de recuperar las articulaciones tibioastragalina, subastragalina y astragaloescafoidea.26 26 P. Marcello, J.C. Serfaty, E. Lucas (2014). Fracturas de astrágalo. MC Mutual – Barcelona. 16 Figura 15: Reducción del astrágalo. En la siguiente tabla (Tabla 2) se recogen las complicaciones existentes tras la fractura de cuello astragalino: Tabla 2: Complicaciones tras fractura del cuello del astrágalo.27 27 P.T. Fortin, MD, and J.E. Balazsy, MD: Talus fractures: evaluation and treatment. Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons (JAAOS) 2001;9:114-127. 17 2. PLANTEAMIENTO Y OBJETIVOS La fractura del cuello del astrágalo supone más del 50% de las fracturas de este hueso y son consideradas lesiones muy graves por su alto índice de necrosis avascular. Estas fracturas se producen por caídas de gran energía o simplemente por torceduras de tobillo que hacen que la zona del cuello del astrágalo se astille y finalmente se rompa. En la actualidad los tratamientos dedicados a estas lesiones conllevan a resultados no satisfactorios en los que finalmente llevan a una artrodesis de las articulaciones tibioastragalina, subastragalina o astragaloescafoidea. Esta artrodesis lleva vinculada una pérdida de movilidad ya que en ella se fijan dos huesos. En este trabajo se intenta dar solución a esta problemática, de manera que se diseñara una solución protésica con la evitaríamos acudir a la solución de la artrodesis de la articulación mediotarsiana o astragaloescafoidea. 18 3. MATERIAL Y MÉTODO En este punto se explica cómo se ha llevado a cabo el estudio y el diseño de los componentes protésicos de la sustitución de cabeza astragalina. Para este estudio se necesita en una primera instancia las imágenes del astrágalo en cuestión, para ello mediante el sistema 3D Laser Scanner LPX600 de Roland y junto al software de exploración LPX EZ Studio de Roland se han obtenido 3 mallas del astrágalo y 2 mallas del calcáneo-escafoides, de manera que no hay problema alguno para visualizar y trabajar con la malla de puntos. Para el diseño de las componentes se ha empleado una de las mallas obtenidas en el escáner, ya que tiene una resolución perfecta del astrágalo, aportando los datos necesarios para el estudio. Con el programa de CAD SolidWorks se ha realizado el modelado de la componente ‘Cabeza Astragalina’ y la componente ‘Implante’, este proceso se explica a continuación. 1. Diseño de cabeza astragalina La cabeza astragalina tiene una superficie de contacto muy amplia con forma de pseudoesfera, en este diseño se ha conseguido obtener una porción esférica que coincide con mucha fiabilidad con la malla de puntos del astrágalo original. Para conseguir este resultado primeramente importamos la malla de puntos en el software SolidWorks (con el complemento ScanTo3D). Con la malla introducida (Figura 16) podemos empezar a trabajar con los puntos que la conforman, de tal forma que crearemos unos planos de referencia que nos sirven para todo el estudio y quitaremos de la malla todas las zonas que no nos interesan (Figura 17). Figura 16: Malla astragalina importada y sin procesar. 19 Figura 29: Cabeza hexagonal del implante. Por ultimo queda por definir el orificio que albergara al vástago de la otra componente (Figura 30), este corte debe tener las mismas medidas que el vástago para que el ensamblaje de estos dos componentes sea el adecuado. De esta forma, mediante la operación de corte de revolución se procede a crear este habitáculo. Figura 30: Corte del orificio en implante. Finalmente se procesan las aristas de nuestro implante mediante redondeos y chaflanes con objeto de que no dañe los tejidos en su implantación (Figura 31). Figura 31: Componente ‘Implante’ completo. 26 El ensamblaje y el resultado óptimo en el proceso de implantar la prótesis darían un resultado como el que se muestra en la siguiente figura (Figura 32). Figura 32: Ensamblaje completo. 27 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 1. Resultados del diseño de la cabeza astragalina. En el diseño de la cabeza, como se explica anteriormente, hemos trazado una red horizontal y una red vertical con el objetivo de obtener el eje de revolución de nuestro modelado esférico de la cabeza astragalina. En la red horizontal de la cabeza astragalina se han obtenido unos radios que disminuían progresivamente a medida que ascendíamos en los planos secundarios creados. En la siguiente tabla (Tabla 3) se recogen los planos junto con el radio de la curva trazada, además en la representación gráfica puede observarse que puede aproximarse a una ecuación cuadrática dada la distancia respecto a la referencia. PLANO DISTANCIA RESPECTO A REFERENCIA RADIO DE LA CURVA PLANTA -2 -3,6 mm 17.4 mm PLANTA -1 -2 mm 17.52 mm PLANTA (REF) 0 mm 17.3 mm PLANTA 1 2 mm 16.69 mm PLANTA 2 4 mm 15.71 mm PLANTA 3 6 mm 15.2 mm PLANTA 3.5 7 mm 14.49 mm PLANTA 4 9 mm 12.21 mm PLANTA 5 11 mm 9.02 mm PLANTA 6 12 mm 5.46 mm Tabla 3: Resultados de la red horizontal. Con estos trazos curvos se obtuvo el eje de revolución de la esfera y el resultado tras medir nuevamente los radios de la esfera que engendraría este eje de revolución obtenemos la tabla que se muestra a continuación (Tabla 4). 17,4 17,52 17,3 16,69 15,71 15,2 14,49 12,21 9,02 5,46 y = -0,0734x2-0,0381x + 17,707 R² = 0,9706 4 6 8 10 12 14 16 18 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 RADIO DE LA CRUVA DISTANCIA RESPECTO A REFERENCIA 28 PLANO DISTANCIA RESPECTO A REFERENCIA RADIO DE LA CURVA (SIN EJE) RADIO DE LA CURVA (CON EJE) DIFERENCIA PLANTA -2 -3,6 mm 17.4 mm 17.35 mm 0.05 mm PLANTA -1 -2 mm 17.52 mm 17.39 mm 0.13 mm PLANTA (REF) 0 mm 17.3 mm 17.28 mm 0.02 mm PLANTA 1 2 mm 16.69 mm 16.89 mm 0.2 mm PLANTA 2 4 mm 15.71 mm 16.28 mm 0.57 mm PLANTA 3 6 mm 15.2 mm 15.33 mm 0.13 mm PLANTA 3.5 7 mm 14.49 mm 14.7 mm 0.21 mm PLANTA 4 9 mm 12.21 mm 12.16 mm 0.05 mm PLANTA 5 11 mm 9.02 mm 9.44 mm 0.42 mm PLANTA 6 12 mm 5.46 mm 5.11 mm 0.35 mm Tabla 4: Comparativa de medidas de malla original con esfera a partir del eje. El mismo procedimiento lo hicimos para calcular un posible eje horizontal, para ello también cortamos la malla en muchos planos tomando a uno de ellos como referencia. En la siguiente tabla y grafico se recogen los datos obtenidos (Tabla 5). PLANO DISTANCIA RESPECTO A REFERENCIA RADIO DE LA CURVA (SIN EJE) RADIO DE LA CURVA (CON EJE) DIFERENCIA DERECHA 9 13,5 mm 9,82 mm 8,46 mm 1,36 mm DERECHA 8 12 mm 10,65 mm 9,34 mm 1,31 mm DERECHA 7 10,5 mm 11,52 mm 10,17 mm 1,35 mm DERECHA 6 9 mm 12,44 mm 11,29 mm 1,15 mm DERECHA 5 7,5 mm 13,58 mm 12,3 mm 1,28 mm DERECHA 4 6 mm 13,96 mm 13,13 mm 0,83 mm DERECHA 3 4,5 mm 14,33 mm 13,71 mm 0,62 mm DERECHA 2 3 mm 14,34 mm 14,21 mm 0,13 mm DERECHA 1 1,5 mm 14,48 mm 14,48 mm 0 mm CENTRAL (REF) 0 mm 14,28 mm 14,6 mm -0,32 mm IZQUIERDA -1 -1,5 mm 14,18 mm 14,65 mm -0,47 mm IZQUIERDA -2 -3 mm 13,75 mm 14,34 mm -0,59 mm IZQUIERDA -3 -4,5 mm 13,29 mm 13,98 mm -0,69 mm IZQUIERDA -4 -6 mm 12,85 mm 13,33 mm -0,48 mm IZQUIERDA -5 -7,5 mm 12,13 mm 12,21 mm -0,08 mm IZQUIERDA -6 -9 mm 11,07 mm 11,2 mm -0,13 mm IZQUIERDA -7 -10,5 mm 10,17 mm 10,11 mm 0,06 mm IZQUIERDA -8 -12 mm 9,5 mm 9,08 mm 0,42 mm IZQUIERDA -9 -13,5 mm 8,89 mm 7,94 mm 0,95 mm Tabla 5: Resultados de la red horizontal y comparativa con la esfera engendrada. y = -0,0289x2+ 0,0603x + 14,329 R² = 0,9797 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -14 -9 -4 1 6 11 RADIO DE LA CURVA (MM) DISTANCIA RESPECTO A REFERENCIA 29 Como se puede observar en la tabla anterior el eje horizontal calculado no nos aporta una buena resolución para generar a nuestra cabeza astragalina a través de él, por esta razón es por la que escogimos el eje vertical que nos garantizaba una resolución bastante buena con un error menor que 0,21 mm. Para el vástago se ha tenido en cuenta el mallado original en el que podíamos ver las restricciones de profundidad y espesor que podíamos darle a nuestra pieza. Este vástago es cono morse, con el objetivo de que este se fije mediante press-fit al implante. Este cono ha sido creado con un ángulo de 4 grados, una longitud de 22mm, una inclinación de 37º respecto al eje X y un extremo menor de 1,5 mm de radio (Figura 33).28 Figura 33: Medidas vástago. Este componente estaría hecho de titanio en su totalidad a excepción de la cabeza, que estaría tratada superficialmente con capas de Cromo-Cobalto, de nitruro de titanio o de una cerámica como el circonio. Este tratamiento con dichos materiales ofrecen a esta superficie una buena resistencia, menor fricción y menor desgaste, aunque presentan su fragilidad sea una desventaja no es preocupante, ya que en la cabeza astragalina no se producen golpes de gran energía capaces de quebrar estas capas.29-30 Esta cabeza estaría en contacto con el fibrocartílago del escafoides y no necesitaría por ello una componente en dicho hueso. 28 F. J. Gil, M. P. Ginebra y J. A. Planell, «Metales y aleaciones para la substitución de tejidos duros,» Biomecánica, vol. 8, nº 13, p. 74, 1999. 29Viladot Voegeli, A. «Anatomía funcional y biomecánica del tobillo y el pie». Revista Española de Reumatología 30, n.o 9 (2003): 469-77. 30A. I. Kapandji. (2015). Fisiología Articular. Tomo 2: Cadera, rodilla, tobillo, pie, bóveda plantar y marcha. Madrid: Editorial Médica Panamericana. p.187 30 2. Resultados del diseño del implante Este componente posee una infinidad de posibles soluciones, muchas de ellas están documentadas y estudiadas. El diseño que se ha realizado tiene un cierto parecido a los implantes dentales de la actualidad y eso es así porque en ellos son en los que ha surgido la inspiración del modelado, además de esto cumple con una serie de características que se irán explicando a continuación. El cuerpo del implante tiene una dimensiones (Figura 34) algo mayores que el vástago de la componente de la cabeza del astrágalo y esto es así porque él debe albergar el cono morse anteriormente comentado. La superficie del cuerpo tiene forma de hélice-tornillo por dos motivos bastante importantes: - Facilita la implantación: la forma de tornillo mejora el abordaje quirúrgico ya que a medida que este entra en el cuerpo del astrágalo va extrayendo el material óseo sobrante. - Mejora el proceso de osteointegración: al tener esa forma de hélice aumenta la superficie de contacto con el hueso una vez implantado, cuanto mayor es la superficie más enlaces se formaran entre el huesoimplante. Figura 34: Medidas y forma del cuerpo del implante. Todo el cuerpo del implante es titanio comercialmente puro por sus excelentes propiedades mecánicas y sobre todo por su excelente capacidad de osteointegración.31 Nos interesa que el implante quede perfectamente sujeto al hueso y su posición y orientación es importantísima, ya que la disposición de éste determinara la del componente de la cabeza astragalina. 31 Navarrete, L. (2013). Materiales para prótesis internas. Universidad Técnica de Ambato. 31 En los casos en los que el hueso posea poca densidad ósea se puede recubrir la superficie del implante con hidroxiapatita y así mejorar el proceso de osteointegración.32 A continuación del cuerpo se ha pensado una dilatación lisa de este, con el objetivo de servir de tope o referencia a la hora de su implantación. En el extremo del implante se la ha dado forma de cabeza hexagonal con un orificio, otorgándole una doble funcionalidad. Por un lado el orificio permite que sea introducido el vástago que se fijara a esta pieza mediante press-fit, por otro lado la cabeza hexagonal (Figura 35) permite que este componente sea introducido mediante instrumental médico específico como por ejemplo las carracas quirúrgicas. Figura 35: Cabeza hexagonal del implante. 32 Zambudio, R. Prótesis, órtesis y ayudas técnicas. Elsevier Masson, 2009. 32 5. CONCLUSIONES Con el diseño protésico que se ha presentado en el trabajo se intenta dar una solución protésica a las fracturas de cuello del astrágalo que suponen más del 50% de las fracturas de este hueso, actualmente inexistente en el mercado. Este diseño protésico puede mantener la movilidad y funcionalidad de la articulación mediotarsiana reemplazada, pudiéndose plantear como posible tratamiento ente la fracturas de cuello astragalino. 33