ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INFORMÁTICA
G ado en Ingenie ía de la Salud
Mención en Ingenie ía Biomédica
Es udio median e análisis de elemen os ini os de un
espaciado empo al a iculado de cade a
S udy o a empo a y a icula ing hip space by means
o ini e elemen analysis
Realizado po
Lau a Espada Ma ín
u o izado po
F ancisco Manuel Ga cía Vacas
Depa amen o
Ingenie ía Mecánica, Té mica y de Fluidos
UNIVERSIDAD DE MÁLAGA
MÁLAGA, Sep iemb e de 2018
Fecha de de ensa:
El sec e a io del T ibunal
Resumen
Cada año se ealizan al ededo de 30.000 a oplas ias o eemplazos o ales de cade a
en España. Se a a de una de las ope aciones de eemplazo más exi osas en o opedia,
aunque ambién se p oducen casos de acaso p os é ico. En e el 0.5%y el 3 %de los
acasos, suelen debe se a una in ección p oducida en el implan e o en las p oximidades a
es e.
La in ección de un eemplazo o al de cade a es de las complicaciones más g a es, y
el ecambio p o ésico puede ealiza se en uno o dos iempos qui ú gicos. La a oplas ia
de e isión en dos iempos consis e en la ex acción de la p ó esis in ec ada, el pos e io
inse o de un espaciado empo al, y, una ez ya a ada la in ección, la e i ada de es e
y el emplazamien o de la p ó esis de ini i a.
En es e abajo se ha modelado un espaciado empo al a iculado de cade a, ya p e-
sen e en el me cado, pa a pos e io men e, median e el so wa e Abaqus/CAE, p onos ica
los alo es de las ensiones que se gene an en es e, pa a mejo a los pa áme os que da ían
luga al acaso p os é ico. También ha sido necesa io el uso del so wa e SolidWo ks, pa a
el modelado del espaciado .
Pa a pode en ende los concep os que se p esen an, p ime o se ealiza una in oduc-
ción eó ica sob e las ca ac e ís icas y p opiedades de los huesos que o man la cade a
humana, y del espaciado empo al de cade a, así como la explicación de cada uno de los
es ados de ca ga de la ma cha humana a los que se e some ido el espaciado una ez
implan ado.
Finalmen e, se ha comp obado los alo es ob enidos median e el es udio y se ha p o-
cedido a mejo a el modelo, haciendo una pos e io compa ación de ambos.
Palab as cla e:
P ó esis de cade a.
Re isión p os é ica.
In ección p os é ica.
Espaciado empo al de cade a.
Polime ilme ac ila o.
Elemen os ini os.

Abs ac
Each yea , abou 30.000 hip eplacemen s o o al hip eplacemen s a e pe o med in
Spain. This is one o he mos success ul eplacemen ope a ions in o hopedics, al hough
he e a e also cases o p os he ic ailu e. Be ween 0.5 %and 3%o he ailu es a e due o
implan in ec ions o o in ec ions in he icini y o i .
The in ec ion o a o al hip eplacemen is one o he mos se ious complica ions,
in his case, he p os he ic eplacemen can be pe o med in one o wo su gical imes.
The wo-s age e ision ope a ion consis s in he ex ac ion o he in ec ed p os hesis, he
subsequen implan a ion o a empo a y space , and, once he in ec ion has been ea ed,
he implan o he de ini i e p os hesis.
In his esea ch s udy we ha e modelled a empo a y a icula ing hip space , al eady
p esen in he ma ke , and hen we ha e p oceeded o p edic he alues o he s ess
gene a ed in his by means o he so wa e Abaqus/CAE wi h he aim o imp o e he
pa ame e s ha would lead o p os he ic ailu e. Also, o modelling he space , i has
been necessa y o use SolidWo ks so wa e.
In o de o unde s and he concep s, i s a heo e ical in oduc ion o he cha ac e-
is ics and p ope ies o he human hip bones as well as o he empo a y hip space is
p esen ed, along wi h he explana ion o each one o he load s ages o which he space
is subjec ed once implan ed.
Finally, he alues ob ained a e he s udy ha e been checked, and he model has
been imp o ed, making a la e compa ison be ween bo h.
Keywo ds:
Hip p os hesis.
P os he ic e ision.
P os he ic in ec ion.
Hip empo a y space .
Polyme hyl-me hac yla e.
Fini e elemen s.
Ag adecimien os
A mi u o , F ancisco Ga cía, po da me la opo unidad de elabo a es e abajo y
ayuda me en su ealización.
Al doc o E ic Ma gale , hacia quien sólo puedo exp esa mi más since o ag adeci-
mien o po oda la ayuda que me ha b indado.
A mis pad es y he mana, quienes me han apoyado du an e oda es a e apa académica
que hoy inaliza. A mis pad es les ag adezco su e e no ca iño y dedicación. G acias a ellos,
es oy alcanzando odas mis me as.
Índice gene al
1. In oducción 1
1.1. Obje i o..................................... 2
1.2. Es uc u a del p oyec o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. A iculación de la cade a 3
2.1. Ana omía de la a iculación de la cade a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. A ocinemá ica de la a iculación de la cade a . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3. Os eocinemá ica de la a iculación de la cade a . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1. Plano on al .............................. 6
2.3.2. Planosagi al .............................. 7
2.3.3. Plano ans e sal............................ 8
2.4. Ma chahumana................................. 9
2.4.1. Ciclo de la ma cha humana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. P ó esis de cade a 11
3.1. Tipos de p ó esis de cade as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2. Complicaciones en p ó esis de cade as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1. F ac u a................................. 13
3.2.2. A lojamien o .............................. 14
3.2.3. In ección................................. 14
3.3. In e ención de emplazo pa a p ó esis in ec adas . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.1. Re isión en 1 iempo qui ú gico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.2. Re isión en 2 iempos qui ú gicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4. Espaciado empo al de cade a 17
4.1. Tipos de espaciado es empo ales de cade a . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.2. P opiedades del espaciado empo al de cade a . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.3. Cemen os óseos con an ibió icos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.4. P oblemá ica de los espaciado es empo ales ac uales . . . . . . . . . . . . 20
5. Mé odos 21
5.1. Modeladogeomé ico.............................. 22
5.2. Mé odo de elemen os ini os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.2.1. Ma e iales................................ 24
La cabeza emo al, epí isis p oximal, iene la o ma de una es e a de 40 a 50mm de
diáme o. El cuello del ému si e de apoyo a la cabeza emo al y asegu a su unión.
Ambos ienen una o ma muy a iable según la pe sona.1
El cue po y el cuello del ému o man un ángulo denominado cé ico-dia isa io, o de
inclinación, en condiciones no males el eje o ma un ángulo con el eje dia isa io de 126◦.
Es e ángulo es muy impo an e pa a la es abilidad del ému , cuan o meno es el ángulo,
mayo es el iesgo a una ac u a del cuello emo al.3Como podemos obse a en la igu a
2.2, el anciano iene una mayo p obabilidad de ac u a ósea.
La ca idad co iloidea es á si uada en la ca a ex e na del hueso ilíaco. Tiene o ma de
hemies e a y ecibe la cabeza emo al, pe o sin en a en con ac o con ella. En e ambos
se encuen a una delgada lámina ósea que sepa a ambas ca as.1
(a) A los es años. (b) En adul os. (c) En ancianos.
Figu a 2.2: Ángulos cé ico-dia isa ios.3
La cabeza del ému es á comple amen e cubie a de ca ílago, a excepción de una
pequeña pa e en la que se encuen a el ligamen o edondo, que une la cabeza con la
ca idad co iloidea. La ca idad, a di e encia de la cabeza del ému , no es á comple amen e
cubie a de ca ílago, sino que la ecub e una capa de ejido g aso. Tan o el ca ílago
como la capa de ejido g aso, p opo cionan una sua e a iculación en e ambas supe icies
y abso be oda la ca ga eje cida sob e es a. La a iculación de la cade a es á ecubie a
en su o alidad po la cápsula a icula , la cual ayuda al mo imien o de es a.1 3
2.2. A ocinemá ica de la a iculación de la cade a
La a ocinemá ica, es el es udio del mo imien o que se da en la a iculación, sin ene
en cuen a el segmen o óseo en cada uno de los planos, ni las a iculaciones y la causa que
lo p oduce. Se a an de mic omo imien os.
Al se la cade a una a iculación de ipo ena osis, posee es g ados de mo ilidad
a ocinemá ica, y pa iendo de la posición ana ómica sus mic omo imien os son de ipo
o ación, odadu a y deslizamien o.1
4

Ro ación
Consis e en que una supe icie mó il, o a sob e o a supe icie ija, cuando di e en es
pun os de la p ime a en an en con ac o sucesi o con un mismo pun o de la segunda.4
Figu a 2.3: Ro ación en la a iculación de la cade a4.
Rodadu a
Consis e en que una supe icie mó il, ueda sob e o a supe icie ija, cuando di e en es
pun os de la p ime a oman con ac o sucesi o con di e en es pun os de la segunda.4
Figu a 2.4: Rodadu a en la a iculación de la cade a4.
Deslizamien o
Consis e en que una supe icie mó il, se desliza sob e o a supe icie ija, cuando un
mismo pun o de la p ime a oma con ac o con di e en es pun os de la segunda.4
Figu a 2.5: Deslizamien os en la a iculación de la cade a4.
5
2.3. Os eocinemá ica de la a iculación de la cade a
La os eocinemá ica, es el es udio del desplazamien o de los huesos en el espacio, sin
impo a los músculos que se con aen pa a log a lo. Son los mo imien os que se en a
a és de una simple obse ación. Se a a de mac omo imien os.
Balanceo
Es un mo imien o pendula del hueso al ededo de uno de sus ex emos, que se desa-
olla en los planos on al y sagi al.5
Gi o
Es una o ación del hueso sob e sí mismo, al ededo de su p opio eje mecánico, que se
desa olla en el plano ans e sal.5
Desde el pun o de is a de la os eocinemá ica, los huesos ealizan, balanceo: lexión,
ex ensión, abducción y adducción, y gi o: o ación in e na o ex e na. A con inuación, se
expond án los mo imien os que puede ealiza la cade a en cada uno de los di e en es
planos, igu a 2.6.
(a) F on al. (b) Sagi al. (c) T ans e sal.
Figu a 2.6: Ángulos cé ico-dia isa ios3.
2.3.1. Plano on al
En el caso de la abducción, igu a 2.7, el mo imien o a acompañado de una abducción
igual en la o a cade a, es deci , el mo imien o se dis ibuye en e las dos a iculaciones
de o ma simé ica. El máximo mo imien o oscila en e 90◦y45◦en cada cade a, y, de
mane a o zada 180◦y90◦pa a cada cade a.1
6
Figu a 2.7: Mo imien os de abducción de la cade a.1
En el caso de la aducción, igu a 2.8, se obse a que no se puede ealiza de o ma
aislada po que chocan las pie nas po lo que se hace necesa io mo imien os combinados.
En gene al, la máxima posible es de 30◦.1
Figu a 2.8: Mo imien os de aducción de la cade a.1
2.3.2. Plano sagi al
La ampli ud del mo imien o de lexión, igu a 2.9, oscila en e los 90◦y los 120◦
dependiendo de la posición de la odilla. En un mo imien o o zado se puede llega a los
145◦.1
7
Figu a 2.9: Mo imien os de lexión de la cade a.1
La ampli ud del mo imien o de ex ensión, igu a 2.10, es mucho más educida que la
de lexión y se e limi ada po la ensión que desa olla el ligamen o ilio emo al. Puede
oscila en e los 10◦, cuando la odilla es á en lexión, y los 20◦, en el caso con a io. En
un mo imien o o zado se pueden alcanza los 30◦.1
Figu a 2.10: Mo imien os de ex ensión de la cade a.1
2.3.3. Plano ans e sal
En el caso de la o ación ex e na e in e na, igu a 2.11. Se debe ene en cuen a que
en la posición boca abajo, las o aciones an o ex e na como in e na se in ie en.1
8
Figu a 2.11: Mo imien os de o ación de la cade a.1
2.4. Ma cha humana
La ma cha humana es un p oceso de locomoción en el cual el cue po humano en posi-
ción e guida, se desplaza hacia delan e o a ás, siendo su peso sopo ado al e na i amen e
po ambas pie nas.
Ac ualmen e, es una de las he amien as de diagnós ico más impo an es en la e alua-
ción de las pa ologías del apa a o locomo o del miemb o in e io , an o ansi o ia como
pe manen e, ya que en ella in e ienen odas las a iculaciones del miemb o in e io del
cue po humano (cade a, odilla, obillo). Aunque cada indi iduo iene una o ma peculia
de anda , odos ellos se igen po un pa ón es ánda .6 7
2.4.1. Ciclo de la ma cha humana
El ciclo de la ma cha humana es una secuencia de acon ecimien os que se epi en
consecu i amen e. Cada ciclo comienza en el ins an e en que uno de los pies, en conc e o
el alón, es á en con ac o con el suelo y e mina en el ins an e en el que el alón del mismo
pie uel e a en a en con ac o con el suelo.
Fases del ciclo de la ma cha humana
El ciclo de la ma cha humana se di ide en dos ases que se epi en consecu i amen e.
Fase de apoyo(60 %): Comp ende el pe iodo en el que el pie con el que se comienza
la ma cha es á apoyado. Se inicia con el con ac o del alón en el suelo y inaliza con
el despegue de los dedos del pie del suelo.7
Fase de oscilación(40 %): Comienza cuando los dedos del pie de e e encia se despe-
gan del suelo y inalizado cuando el alón uel e a en a en con ac o con el mismo.7
En el ciclo de la ma cha ambién encon amos la ase de doble apoyo, es a ep esen a
un 20 % den o de la ase de apoyo. Ocu e cuando ambos pies es án en con ac o con el
suelo simul áneamen e.6
9

In e alos de las ases del ciclo de la ma cha humana
La ase de apoyo se di ide en cinco in e alos, en los cuales, la cade a iene di e en es
compo amien os.
Con ac o inicial(CI): ins an e en el que el alón oca el suelo.8La cade a su e una
lexión de 30◦.
Apoyo inicial(AI): con ac o de la pa e an e io del pie con el suelo.8La a iculación
de la cade a comienza a ex ende se y el ángulo de lexión disminuye al ededo de
20◦.
Apoyo medio(AM): momen o en el que la cade a se encuen a alineada e icalmen e
con el cen o del pie, is o desde el plano sagi al.8
Apoyo inal(AF): ins an e en el que el alón se ele a del suelo.8La cade a comienza
a mo e se hacia la ex ensión, has a alcanza un máximo de hipe ex ensión de 20◦.
P e ia oscilación(PO): momen o en el que los dedos se ele an del suelo.8La cade a
es á ce ca de una posición neu al y se mue e en di ección de la lexión.
La ase de oscilación se di ide en es in e alos.
Acele ación(A): se ca ac e iza po la ápida acele ación del ex emo de la pie na
inmedia amen e después que los dedos dejan el suelo.8La cade a se encuen a en
posición neu al.
Oscilación media(OM): la pie na en mo imien o ebasa a la pie na de apoyo como
un péndulo.8La cade a se lexiona has a alcanza ap oximadamen e los 30◦y se
man iene en esa posición.
Desacele ación(D): la pie na desacele a al ace ca se al inal del in e alo.8
Figu a 2.12: Ciclo de la ma cha humana8.
10
Capí ulo 3
P ó esis de cade a
Una cade a sana pe mi e e ec ua muchos de los mo imien os an e io men e mencio-
nados sin dolo , pe o si se lesiona, apa ecen complicaciones que debe án se a adas.
La a osis es el p oblema más común po el cual se p oduce el daño en la a iculación
de cade a. Es a p o oca el desgas e del ca ílago a icula , dejando el hueso subyacen e
desp o egido, p oduciéndose una icción cons an e en e cabeza emo al y la ca idad
co iloidea. Debido a ello, ambas supe icies se uel en áspe as, cuando es o ocu e, la
cade a deja de unciona adecuadamen e, p oduciéndose dolo al mo imien o de es a, lo
que puede conlle a a una ope ación de sus i ución o al de cade a.9En la igu a 3.1 se
puede e la di e encia en e una a iculación de cade a sana y una dañada, el ca ílago
desgas ado p o oca la icción en e ambos huesos, dejándolos dañados.
Figu a 3.1: A iculación de cade a sana y dañada.10
11
3.1. Tipos de p ó esis de cade as
Ac ualmen e se pueden encon a di e en es ipos de p o esis de cade a.
P ó esis o al de cade a: Suelen usa se en los casos de a osis o desgas e a icula .
Es e ipo de p ó esis sus i uye el ex emo supe io del ému po una bola de me al
o ce ámica suje a po un ás ago, y econs uye el ace ábulo con un có ilo, no mal-
men e de polie ileno.11 El ensamblaje inal de una p ó esis de cade a, se mues a en
la igu a 3.2(a).
P ó esis pa cial de cade a: Suelen emplea se en ac u a de ému . Es e ipo de
p ó esis sus i uye únicamen e la zona dañada. En el caso de la ac u a del ému ,
se sus i uye es e po un ás ago.11 En la igu a 3.2(b) se mues a un ipo ás ago,
el cuál i á anclado al ému jun o con una bola de me al, que sus i ui á la cabeza
de es e.
P ó esis de esupe icialización: U ilizadas en casos de pacien es jó enes que, posi-
blemen e, se end án que en en a a una o a ias ci ugías de e isión p os é ica.
Son una especie de capuchón me álico que se acomoda sob e la cabeza emo al y que
a icula con a un có ilo, ambién me álico.12 En la igu a 3.2(c) se mues a un ipo
de p ó esis de esupe icialización de cade a, Me al–Me al. Si se compa a con una
a oplas ia o al de cade a, la esupe icialización es una ci ugía menos aumá ica,
que ep oduce la ana omía na u al del pacien e educiendo el iesgo de ala gamien o
de la pie na.9
P ó esis de e isión: Se u ilizan pa a eemplaza una p ó esis ya ex is en e, que ha
su ido alguna complicación.12 El p esen e es udio se ha ealizado sob e una p ó esis
de e isión, en conc e o sob e un espaciado empo al, simila al que se mues a en
la igu a 3.2(d).
Pa a ancla cualquie a de es as p ó esis de cade a, exis en dos o mas de hace lo. Se
pueden ija con o sin cemen o. Cuando se ijan con cemen o, se cub e la p ó esis con
un cemen o óseo que al agua queda comple amen e unido al hueso. Es un mé odo
muy e ec i o debido a que p opo ciona una sujeción inmedia a, pe mi iendo la emp ana
mo ilidad del pacien e, aunque el cemen o se puede i degene ando con el paso del iempo.
En el caso con a io, cuando no se usa cemen o pa a la ijación, se ecub e la supe icie
de la p ó esis con un ma e ial po oso que pe mi e que el hueso c ezca en emezclado con
él, ijando así el implan e. Su ijación es mucho más na u al, pe o el éxi o depende de las
condiciones oseas del pacien e.11 12
12
(a) P ó esis o al de cade a.13 (b) P ó esis pa cial de cade a.9
(c) P ó esis de esupe ialización.9(d) P ó esis de e isión.13
Figu a 3.2: Tipos de p ó esis de cade a.
3.2. Complicaciones en p ó esis de cade as
A pesa de lo mucho que se ha mejo ado en es e campo con el paso de los años, las
p ó esis de cade a, al igual que cualquie o o apa a o biomédico, no ienen una ida
in ini a, puede su i una se ie de complicaciones que pueden a ec a an o a la p ó esis
como al hueso donde es á anclada.
3.2.1. F ac u a
En e las complicaciones que se pueden da en una p ó esis de cade a, la más poco
p obable es la ac u a p os é ica o pe ip os é ica. Las ac u as pe ip os é icas se p odu-
cen en las p oximidades del implan e de cade a, es deci , en el hueso al que es á anclado
la p ó esis. Es as se p oducen con auma ismos de baja ene gía, en especial, en pacien es
13
La adicción de an ibió icos p o oca cambios en las p opiedades mecánicas del cemen o,
aunque es as no ienen g an ele ancia cuando se u ilizan en un espaciado , ya que es e es
empo al, po lo que puede con ene al as dosis, pa a así, a a la in ección en el meno
iempo posible. Aún siendo un implan e empo al no se le puede some e a sopo a
g andes ca gas, debido a la posible a iación de las p opiedades mecánicas.22
4.4. P oblemá ica de los espaciado es empo ales ac-
uales
A pesa de las asas de éxi o en cuan o a la cu a de la in ección p os é ica, median e
los espaciado es empo ales ca gados de medicamen os, las asas de complicaciones siguen
siendo muy ele adas. Las complicaciones mecánicas son las p incipales, siendo la ac u a
del espaciado la más impo an e. Si las solici aciones p oducidas de o ma con inua ex-
ceden la capacidad del cemen o de amo igua y ansmi i ca gas, es posible la apa ición
de g ie as o ac u as de cemen o po a iga. Es o se debe, o bien po la geome ía del
mismo, po el ma e ial del que es á o mado, o po el incumplimien o del pacien e con
espec o a las ca gas aplicadas. Po an o, se hace e iden e, la impo ancia del es udio de
odos los compo amien os de dicho implan e.
20

Capí ulo 5
Mé odos
Pa a el desa ollo del es udio se ha modelado uno de los implan es con mayo es li-
mi aciones mecánicas inhe en es en cuan o al ma e ial del disposi i o. En la Figu a 5.1
se mues a una o o del espaciado que se ha seleccionado, pa a que, una ez modelado,
se ealice su pos e io es udio. Se a a de un espaciado empo al de cade a, de la casa
come cial Zimme Biome , modelado in eg almen e de cemen o óseo, en conc e o polime-
ilme ac ila o (PMMA) imp egnado de medicamen os. También se mues a el molde con
el que se ha ealizado dicho espaciado .
Figu a 5.1: Molde y espaciado empo al de cade a.9
Es e ipo de espaciado es á disponible en cua o amaños, con diáme o de cabeza
emo al que a desde 43 a 64 milíme os. Pa a el p esen e es udio se ha modelado el
espaciado de amaño medio, de 57 milíme os de cabeza emo al de echa, indicado pa a
pacien es de una al u a al ededo de los 165 cen íme os y 50 kilog amos.
21
5.1. Modelado geomé ico
El modelo de cada una de las piezas, y el pos e io ensamblaje de es as, se ha ea-
lizado median e el so wa e SolidWo ks, una he amien a que pe mi e modela piezas y
conjun os, y ex ae de ellos la in o mación necesa ia pa a su pos e io p oducción.
Figu a 5.2: Geome ía 3D del espaciado .
El diseño de la geome ía del espaciado es muy simila a la componen e emo al de
las p ó esis de cade as ac uales, a di e encia que es e se a a de una única pieza, como
se obse a en la igu a 5.2, modelada como supe icie ígida con las dimensiones que se
mues a en la igu a 5.3.
Figu a 5.3: Dimensiones del espaciado .
22
Pa a el pos e io es udio ambién ha sido necesa io el modelado de una pa e de la
pel is, en conc e o el ace ábulo, igu a 5.4, debido a que la cabeza del espaciado se
encuen a suje a po es e. El adio in e no de la ca idad ace abula se co esponde con
el adio de la cabeza del espaciado an e io men e modelado, 28.5 milíme os. El g oso
de la pa ed del ace ábulo es de 25 milíme os, aunque su medida es indi e en e hacia
los esul ados, es e pe enece a odo el conjun o pel is que se ha accionado a modo de
simpli icación.
Figu a 5.4: Geome ía 3D del ace ábulo.
El ensamblaje de odas las piezas modeladas se mues a en la igu a 5.5, donde ambién
se indican las pa es en las que se a a di e encia es e en el p esen e es udio.
Figu a 5.5: Geome ía 3D del conjun o.
5.2. Mé odo de elemen os ini os
Pa a ealiza el es udio del p esen e abajo, se ha op ado po el so wa e Abaqus. Se
a a de un p og ama CAE de cálculo po elemen os ini os de p opósi o gene al. Una ez
modelada la geome ía del espaciado se expo a al so wa e pa a ealiza su análisis.
23
5.2.1. Ma e iales
El espaciado empo al de cade a es á o mado po un solo ipo de ma e ial, polime-
ilme ac ila o (PMMA) imp egnado de medicamen os. Se a a supone que la adición de
los medicamen os opo unos no a a gene a ningún cambio en las p opiedades mecánicas
del cemen o.
En cuan o a las p opiedades del hueso co ical, co espondien e al ace ábulo, ambién
se end án que de ini .
Los ma e iales se han modelado como iso ópicos y elás icos, añadiendo las p opiedades
de módulo de Young y coe icien e de Poisson. Es as p opiedades se mues an en la abla
5.1.
Tabla 5.1: P opiedades de los ma e iales.
Módulo de Young(MPa) Coe icien e de Poisson
PMMA22 3100 0.35
Hueso co ical23 12418 0.3
5.2.2. Mallado y es udio de con e gencia
Se ha ealizado un es udio de con e gencia de mallado en el cuello del implan e, dado
que allí se an a egis a los más ele ados g adien es espaciales en las ensiones de on
Mises. Se ha modi icando la densidad de la malla, aumen ando el núme o de elemen os
de la misma, es deci , haciéndola cada ez más ina, has a que las ensiones de on Mises
deja on de a ia más de un 5 %en e sucesi os e inamien os.
Figu a 5.6: G á ica de con e gencia de mallado.
24
El es udio de con e gencia se ha ealizado en el ins an e del ciclo de la ma cha en el
que se a a encon a la mayo ensión, el 60 %del ciclo. Se han ealizado 6 simulaciones,
aunque el alo de con e gencia se encon ó en el cua o alo simulado. Los alo es
ob enidos se mues an en la igu a 5.6. T as habe ealizado la con e gencia, se es ableció
que el amaño de mallado en el cuello del implan e se co esponde con 1 milíme o como
se puede e en la igu a 5.7.
Figu a 5.7: Mallado del espaciado .
Se debe señala que cada una de las pa es del conjun o cuen a con un ipo de malla
di e en e, p esen e en la abla 5.2.
Tabla 5.2: P opiedades de la malla de cada pieza.
Tipo Fo ma Nºde elemen os Nºde nodos
Ace ábulo C3D8R Hexaéd ica 6720 8113
Cabeza del espaciado C3D10I Te aéd ica 14539 21305
Cuello del espaciado C3D10I Te aéd ica 29719 44298
Vás ago del espaciado C3D10I Te aéd ica 5084 8663
25

5.2.3. Con ac os
Pa a los modelos en con ac o que con o man el ensamblaje a calcula , en conc e o la
supe icie de la cabeza del espaciado y la supe icie in e io del ace ábulo, se ha u ilizado
un ipo de con ac o supe icie a supe icie sin ozamien o, ya que en el p esen e es udio,
es a no a ec a a los esul ados. Debido al co o pe iodo de iempo en que el espaciado
pe manece implan ado, la icción en e es e y el hueso no supone un incon enien e.
En cuan o a las p opiedades del con ac o se asignó la cabeza como supe icie maes a
y la semies e a in e na del ace ábulo como supe icie escla a.
5.2.4. Condiciones de con o no
El ace ábulo o ma pa e del conjun o de la pel is, que se ha accionado únicamen e a
e ec os de simpli icación pa a el pos e io es udio, po lo que se impidió la anslación de
los mo imien os de odos los ejes de es e. Pa a ello se ha es ablecido un empo amien o
de la supe icie ex e io del ace ábulo, como se mues a en la igu a 5.8, donde el ángulo
de inclinación es ablecido pa a es e (ángulo en e el plano de la ca a de la copa ace abula
y el plano on al ana ómico), o ma un ángulo de 45◦con el eje ho izon al.
Figu a 5.8: Empo amien o de la supe icie ex e io del ace ábulo.
26
5.2.5. Acoplamien o
An es de pasa a de ini la ca ga, ha sido necesa io ija el pun o del espaciado empo-
al de cade a en el que se a a aplica la misma. Las ensiones en la cabeza del espaciado
no suponen ningún in e és en el es udio, po lo que ha sido su icien e la u ilización de
una ca ga concen ada en un solo nodo, el cuál se encuen a en el cen o de la cabeza
del espaciado . Se debe ene en cuen a que las ca gas pun uales aplicadas a los nodos
del modelo, deben se ales que ealicen el mismo abajo a la es uc u a, que la ca ga
dis ibuida. Pa a ello, como se mues a en la igu a 5.9, odos los nodos p esen es en la
zona del ás ago que, una ez implan ado el espaciado se encuen an in eg ados en el
hueso ému , se han acoplado al cen o de la cabeza de es e.
Figu a 5.9: Acoplamien o de los nodos al cen o de la cabeza del ace ábulo.
Hay que ene en cuen a que al acopla odos los nodos del espaciado in eg ados en
el hueso ému , los mo imien os del espaciado quedan es ingidos po la cabeza de es e.
27
5.2.6. Ca gas
Debido a las limi aciones mecánicas del implan e mencionadas en capí ulos an e io es,
se conside ó ealiza el es udio de la ma cha humana, la ac i idad más ecuen e de en e
las que pueden ealiza los pacien es. Las exigencias del implan e pa a es a ac i idad, su
posicionamien o, la c eación de la ca ga y los mo imien os especi icados en la a iculación,
se co esponden a ISO Es ánda de p ueba 14242-1. Pa a el es udio se ha omado un ciclo
comple o de la ma cha humana, que co esponde al pe íodo de iempo de 1 segundo, y
es e se ha di idido en 10 pasos, ambién consis en e con las exigencias del es ánda .
(a) Sis ema de coo denadas pa a la ue za. (b) Sis ema de coo denadas pa a las o aciones.
Figu a 5.10: Sis ema de coo denadas del módelo 3D.
Pa a de ini la o ien ación de las ca gas, se p opone u iliza un sis ema de coo denadas
XYZ, ijado en el cen o de la cabeza del espaciado , el cual se mues a en la igu a 5.10(a).
La ca ga se aplica al cen o de la cabeza y ac úa en di ección del ace ábulo, o mando
la ca ga esul an e un ángulo de 30◦con el eje pola del ace ábulo. Po la an o, la
componen e de la ue za en el eje Z queda ía posi i o y la componen e de la ue za en el
eje X se uel e nega i a. Los alo es de las ca gas eje cidas en un ciclo comple o de la
ma cha se co esponden a los p esen es en la igu a 5.11, pos e io men e ecogidos en la
abla 5.3, según las exigencias p esen es en el es ánda , donde Fxes la componen e de la
ue za en el eje X, Fzla componen e de la ue za en el eje Z y F es es la ue za esul an e.
28
Figu a 5.11: G á ica de las ensiones máximas eje cidas sob e la cabeza emo al en un
ciclo comple o de la ma cha humana.
Tabla 5.3: Tensiones máximas eje cidas sob e la cabeza emo al en un ciclo comple o de
la ma cha humana.
Tiempo, %de ciclo Fx(N) Fz(N) F es(N)
0 -100 300 350
10 -1450 2500 2950
20 -1100 1900 2250
30 -750 1300 1500
40 -800 1500 1750
50 -1500 2600 3000
60 -100 300 350
70 -100 300 350
80 -100 300 350
90 -100 300 350
100 -100 300 350
Pa a de ini los mo imien os angula es, se debe ene en cuen a que la cabeza del
espaciado , al igual que una a iculación de cade a sana, posee es g ados de libe ad de
mo imien o, lexión-ex ensión (FE), abducción-aducción (AA) y o ación hacia den o-
hacia ue a (IOR). Es os pe iles de mo imien os angula es se co esponden a los p esen es
en la igu a 5.12, pa a un ciclo comple o de la ma cha y según las exigencias del es ánda
especi icado. En la abla 5.4 se han ecogido odos es os alo es.
29
( ) 60 %.
(g) 70 %.
(h) 80 %.
36

(i) 90 %.
(j) 100 %.
Figu a 6.1: Dis ibución de ensiones de on Mises en el espaciado inicial pa a cada
ins an e del ciclo de la ma cha.
Una de las posibles causas de las allas po a iga en es e ipo de espaciado pod ía se ,
la p esencia de zonas que concen an al as ensiones debido a que no p esen an una buena
ansición de zonas más ca gadas a menos ca gadas. En la igu a 6.1 se puede comp oba
que las supe icies donde se p oducen es as mayo es concen aciones de ensiones se co-
esponden con la zona de unión en e la cabeza y el cuello del espaciado y la zona de
unión en e el cuello y el ás ago del espaciado . Es as p oducen zonas de concen ación
de es ue zos que causan la agilidad y la o u a del espaciado .
37
6.2. Espaciado p opues o
A con inuación se p opone un diseño al e na i o, que consis e en una a ian e del
espaciado empo al de cade a es udiado an e io men e, igu a 6.2, con el in de educi
las ensiones p oducidas po las ca gas, en el cuello del espaciado , e asando una posible
ac u a de es e.
Figu a 6.2: Geome ía 3D del espaciado p opues o.
Si se analiza el es udio de epa o de ensiones máximas de on Mises del espaciado
inicial, se llega a la conclusión de que hay que abaja sob e un espaciado que pe mi a
una ansición de zonas más ca gadas a menos ca gadas, sin zonas que concen en la a iga
del ma e ial. El diseño se conside a más impo an e que el p opio ma e ial del espaciado .
Pa a ello se uel e a modela oda la zona del cuello del espaciado , edondeando como
en la igu a 6.3 pa a elimina es as zonas de concen ación de es ue zo.
(a) Redondeo inicial. (b) Redondeo p opues o.
Figu a 6.3: Geome ía de la zona del cuello del espaciado .
38
6.2.1. Tensiones de Von Mises
En la abla 6.2 se esume las ensiones máximas de on Mises ob enidas pa a cada
po cen aje de ciclo anscu ido, en el espaciado empo al de cade a p opues o.
Tabla 6.2: Tensiones máximas de on Mises en el espaciado p opues o pa a un ciclo
comple o de la ma cha humana.
%de ciclo Tensión máxima de on Mises (MPa)
0 30.77
10 26.25
20 52.54
30 31.02
40 28.96
50 37.43
60 74.11
70 22.06
80 23.61
90 24.42
100 30.77
En las igu a 6.4 se mues an las dis ibuciones de las ensiones de on Mises en el
espaciado p opues o pa a un ciclo comple o de la ma cha humana, en di e en es ins an es
del mismo. Se obse a que la dis ibución de las ensiones de on Mises con espec o al
espaciado inicial ha a iado, ya no se encuen an las ensiones concen adas en una sola
zona, sino que se dis ibuyen po odo el cuello del espaciado . Se ha conseguido una
buena ansición en e zonas más ca gadas y menos ca gadas.
(a) 10 %.
39
(b) 20 %.
(c) 30 %.
(d) 40 %.
40
(e) 50 %.
( ) 60 %.
(g) 70 %.
41

(h) 80 %.
(i) 90 %.
Figu a 6.4: Dis ibución de ensiones de on Mises en el espaciado p opues o pa a cada
ins an e del ciclo de la ma cha.
Al igual que el espaciado inicial, la máxima ensión en un ciclo comple o de la ma cha
se p esen a cuando ha anscu ido un 60 %de es e, igu a 6.4( ). Es a se da en la zona
in e na del espaciado , en el mismo pun o que el espaciado inicial, a di e encia que no
es á concen ada en las p oximidades al pun o, si no que es e se a dis ibuyendo de
o ma con inua. En e ambas ensiones máximas hay una di e encia conside able, siendo
el espaciado p opues o el que p esen a meno ensión.
42
6.3. Compa ación de ambos espaciado es
Una ez ealizados ambos es udios, ya se puede comp oba que al ol e a modela
únicamen e el cuello del espaciado , que e a la zona donde se concen aban las mayo es
ensiones de on Mises, se ha ob enido una disminución conside able de es as. También
debido al edondeo p esen e en el cuello se ha ob enido una buena ansición de zonas
más ca gadas a menos ca gadas, c eando así una buena dis ibución de las ensiones de
on Mises y e i ando concen aciones de es ue zos que puedan da luga a la agilidad,
causando la o u a del espaciado .
También se pueden ap ecia di e encias no o ias en los alo es máximos de las ensiones
de on Mises en la igu a 6.5. Es a mues a compa a i amen e el e ec o de cambia la
geome ía del cuello del espaciado .
Figu a 6.5: G á ica compa a i a de las ensiones de on Mises en di e en es espaciado es
empo ales de cade a.
Las
43
44
Capí ulo 7
Conclusiones y Líneas u u as de
abajo
En es e abajo se ha ealizado una simulación, po el mé odo de los elemen os ini os,
de las ensiones gene adas en un espaciado empo al de cade a, du an e un ciclo comple o
de la ma cha humana.
Los esul ados p edicen que los espaciado es son una opción muy adecuada pa a las
in ecciones en p ó esis de cade a, ya que cumple un ol undamen al, ac uando como
uen e local de an ibió ico, man eniendo el espacio a icula y pe mi iendo la mo ilidad
del pacien e, bajo limi aciones.
Las es imaciones p esen adas en es e abajo lle an a medi a sob e los siguien es as-
pec os. Se debe ene un especial cuidado con la adición de los medicamen os, ya que
añadiendo las can idades jus as pa a que las p opiedades del polime ilme ac ila o no se
ean a ec adas, el espaciado empo al de cade a p esen a posibles allas po a iga. Tam-
bién se debe ene muy en cuen a a la ho a de diseña un espaciado empo al de cade a
la geome ía del mismo. Se iene que busca que la geome ía de luga a una buena an-
sición de zonas más ca gadas a menos ca gadas, log ando así una buena dis ibución de
las ensiones.
Los esul ados ob enidos alien an a con inua in es igando ace ca de es e ipo de im-
plan es. En u u os abajos se pueden es udia las ensiones an e di e en es can idades
adhe idas de medicamen os al polime ilme ac ila o, cambiando así sus p opiedades. En
el caso de añadi una meno can idad de medicamen o, se educi á las allas po a iga,
pe o se amplia á el iempo que iene que pe manece implan ado el espaciado , y en el
caso con a io, añadiendo mayo es can idades de medicamen o, aumen a án las allas po
a iga, pe o se educi á el iempo de implan ación. También se pod ía a anza en el es-
udio ealizado, mejo ando el espaciado empo al de cade a p opues o, añadiéndole un
alma me álica pa a disminui aún más las posibles allas po a iga.
45