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Abstract
El objeto principal del presente proyecto es la simulación mediante elementos finitos del comportamiento biomecánico de un fémur, ante la implantación de un clavo intramedular en los tipos de fractura más comunes en la práctica clínica. En primer lugar, se realiza un modelo elementos finitos del fémur para estudiar su comportamiento mecánico, que servirá de referencia frente a los modelos implantados. A continuación, se realiza un modelo de elementos finitos del clavo intramedular que posteriormente será implantado en el fémur para analizar el comportamiento ante diferentes fracturas de la diáfisis femoral. Por último, y tras la realización de cada modelo, se analizan los resultados de cada fractura extrayendo las conclusiones oportunas, de cara a realizar una comparación del comportamiento biomecánico del mismo con las diferentes fracturas simuladas. Lozano Sanz, Carolina; Ibarz Montaner, Elena
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Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 1 ANÁLISISDELCOMPORTAMIENTOBIOMÉCANICODEUN CLAVOINTRAMEDULARPARAFRACTURASDEFÉMUR MEDIANTEELEMENTOSFINITOS RESUMEN Elobjetoprincipaldelpresenteproyectoeslasimulaciónmedianteelementosfinitos delcomportamientobiomecánicodeunfémur,antelaimplantacióndeunclavo intramedularenlostiposdefracturamáscomunesenlaprácticaclínica. Enprimerlugar,serealizaunmodeloelementosfinitosdelfémurparaestudiarsu comportamientomecánico,queservirádereferenciafrentealosmodelos implantados.Acontinuación,serealizaunmodelodeelementosfinitosdelclavo intramedularqueposteriormenteseráimplantadoenelfémurparaanalizarel comportamientoantediferentesfracturasdeladiáfisisfemoral. Porúltimo,ytraslarealizacióndecadamodelo,seanalizanlosresultadosdecada fracturaextrayendolasconclusionesoportunas,decaraarealizarunacomparacióndel comportamientobiomecánicodelmismoconlasdiferentesfracturassimuladas.
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 2 ÍNDICEGENERAL ÍNDICEDELAMEMORIA 1. Fracturafemoral.Problemática..........................................................................4 1.1.Descripcióndelproblema......................................................................................4 1.2.Solucionesclínicas.................................................................................................4 1.2.1.Fasedereducción...........................................................................................5 1.2.2.Fasedecontención.........................................................................................5 1.2.3.Fasederehabilitación.....................................................................................7 1.3.Usodeclavosintramedularesencirugíaortopédica............................................7 2.ElMEFencirugíaortopédicafemoral................................................................10 3.Modelosdeelementosfinitos.Fémursano......................................................17 3.1.Obtencióndelageometría..................................................................................17 3.2.Generacióndelmodelodeelementosfinitos.....................................................19 3.2.1.Característicasdelamalla............................................................................20 3.3.Propiedadesdelosmateriales............................................................................20 3.4.Cargasycondicionesdecontorno.......................................................................20 3.5.CondicionesdecálculoenAbaqus......................................................................22 3.6.Resultados...........................................................................................................23 3.6.1.Deformadas..................................................................................................23 3.6.2.Desplazamientos..........................................................................................23 3.6.3.Distribucióndetensiones.............................................................................24 4.ModelodeElementosFinitos.ClavoIntramedular............................................27 4.1.Obtencióndelageometría..................................................................................27 4.2.Generacióndelmodelodeelementosfinitos.....................................................28 4.2.1.Característicasdelamalladelclavointramedular......................................29 4.2.2.Característicasdelamalladelostornillos...................................................29 5.ModelodeElementosFinitos.FémurImplantado.............................................30 5.1.Posicionamientodelclavointramedular.............................................................30 5.2.Generacióndelmodelodeelementosfinitos.....................................................31 5.3.FracturasTipo......................................................................................................32 5.3.1.FracturaTipoI.Fracturaplanaenelterciomedio.......................................32 5.3.1.1.Característicasdelamalla.....................................................................32 5.3.2.FracturaTipoII.Fracturaplanaenlaunióndelterciosuperiorconeltercio medio......................................................................................................................33 5.3.2.1.Característicasdelamalla.....................................................................33 5.3.3.FracturaTipoIII.Fracturaplanaenlaunióndelterciomedioconeltercio inferior....................................................................................................................34 5.3.3.1.Característicasdelamalla.....................................................................34 5.3.4.FracturaTipoIV.Fracturaterciomediooblicua‐espiroidea........................34 5.3.4.1.Característicasdelamalla.....................................................................35 5.4.Propiedadesdelosmateriales............................................................................35
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 3 5.5.Cargasycondicionesdecontorno.......................................................................36 5.6.CondicionesdecálculoenAbaqus......................................................................37 5.7.Resultados...........................................................................................................38 5.7.1.ResultadosfracturaTipoI.Fracturaplanaenelterciomedio.....................39 5.7.1.1.Deformadas...........................................................................................39 5.7.1.2.Desplazamientos...................................................................................39 5.7.1.2.1.Desplazamientorelativoenelfocodefractura.............................40 5.7.1.3.Distribucióndetensiones......................................................................41 5.7.2.ResultadosfracturaTipoII.Fracturaplanaenlaunióndelterciosuperior conelterciomedio.................................................................................................46 5.7.2.1.Deformadas...........................................................................................46 5.7.2.2.Desplazamientos...................................................................................46 5.7.2.2.1.Desplazamientorelativoenelfocodefractura............................47 5.7.2.3.Distribucióndetensiones......................................................................48 5.7.3.ResultadosfracturaTipoIII.Fracturaplanaenlaunióndelterciomediocon eltercioinferior......................................................................................................52 5.7.3.1.Deformadas...........................................................................................52 5.7.3.2.Desplazamientos...................................................................................53 5.7.3.2.1.Desplazamientorelativoenelfocodefractura............................54 5.7.3.3.Distribucióndetensiones......................................................................56 5.7.4.ResultadosfracturaTipoIV.Fracturaoblicua‐espiroidea...........................60 5.7.4.1.Deformadas.........................................................................................................................60 5.7.4.2.Desplazamientos...............................................................................................................61 5.7.4.2.1.Desplazamientorelativoenelfocodefractura......................................62 5.7.4.3.Distribucióndetensiones......................................................................62 6.Conclusionesyfuturosestudios........................................................................67 6.1.Conclusiones........................................................................................................67 6.2.Futurosestudios..................................................................................................67 ÍNDICEDEFIGURAS..................................................................................................68 ÍNDICEDETABLAS....................................................................................................73 BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................74 ÍNDICEDELOSANEXOS ANEXOI:TRATAMIENTODEIMÁGENES...................................................................76 ANEXOII:I‐DEAS......................................................................................................80 ANEXOIII:ABAQUS..................................................................................................87
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 4 1.Fracturafemoral.Problemática. 1.1. Descripcióndelproblema Elfémur,elhuesomáslargodelcuerpohumano,puedesufrirdiferentesroturascomo lafracturadediáfisisfemoral,cuellodelfémurofracturastrocantéreas.Eneste proyectonoscentraremosexclusivamenteenlasfracturasdeladiáfisisfemoral. Ladiáfisisfemoralseextiendedesdeunplanohorizontala3cm.pordebajodel trocántermenor,hastalazonaesponjosasupracondílea.Seencuentraenvueltapor potentesmasasmusculares,loqueleconfiereunaexcelentevascularizaciónque favorecelaformacióndelcalloóseo.Laaccióndeestasmasasmusculares,quese insertanalolargodelamisma,eslaresponsabledelosgrandesdesplazamientosque seencuentranconfrecuencia,asícomoladifícilreduccióneinestabilidaddelos fragmentosóseos[1]. Muycercanosaestehuesoseencuentranlosvasosfemorales.Enelcasodequese encuentrensegmentosóseosdesplazadospuedencomprimir,desgarraroseccionarla arteriaovenafemorales.Particularmentepeligrosasson,aesterespecto,lasfracturas deltercioinferiordeladiáfisis.Laricairrigacióndeladiáfisisfemoral,asícomolade lasgrandesmasasmuscularesalserdesgarradasporlossegmentosfracturados, puedengenerarunahemorragiacuantiosa(1ó2litros),transformandoasíal fracturadoenunaccidentadograve,conloscaracterespropiosdeunpolitraumatizado [1]. Estetipodelesiónpuedeafectaracualquierpersona,sinimportarlaedad, requiriendounfuerteimpactoparafracturarelfémur,pudiendoprovocargraves lesionesmusculares,vascularesoviscerales[1]. Estetipodefracturasrepresentanun7%detodaslasfracturasdefémuryun1.3%de lasfracturasqueseproducenenelcuerpohumano.Setratadegraveslesionesque provocandiscapacidadsignificativaalargoplazo.Elgradodepérdidafuncionalestá influenciadoporlaafectaciónmuscular,eldañodelostejidosblandosola combinacióndeambos[2,3]. 1.2. Solucionesclínicas Elprincipalobjetivoesconseguirlamáximarecuperaciónposibledelazonaafectada, estableciendounascondicionesquefacilitenlosprocesosbiológicosnormalesde consolidaciónenunaposiciónadecuadadelosfragmentosóseos.Eltratamiento puederesumirseentresfases:reducción,contenciónyrehabilitación[4].
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 5 1.2.1.Fasedereducción Parareducirunafractura,sedebeconseguirunarelaciónanatómicadeseableconel findeconseguirunabuenafunciónyacelerarlaconsolidación.Existendosmétodos parareducirunafractura[4]: - Manipulacióncerrada.Serealizandiferentesmaniobrasmanualesoseaplica tracciónmecánicasinabrirelfocodefractura.Estemétodoesmenosagresivo aunquecuentaconladesventajadenoconseguir,aveces,unareducción estableounareconstrucciónanatómicaperfecta. - Controlquirúrgicodelafractura.Aunquesetratadeunprocedimiento agresivo,seaccededirectamentealfocodelafracturaypermiteuna reconstrucciónanatómicaperfecta. 1.2.2.Fasedecontención Estafaseconsisteenreducirelmovimientoperosinimpedirlototalmente.Las finalidadesquesepersiguenson:reducireldolor,procurarlaconsolidaciónenbuena posicióneimpedirlamovilidaddelfoco.Existendosprocedimientos[4]: Procedimientosortopédicos:Apesardequeparaeltratamientodefracturasdefémur seprefierentratamientosquirúrgicos,debidoaqueseconsiguelareducción anatómica,larecuperaciónfuncionalinmediatayunahospitalizaciónmásbreve, existenotrostratamientosmásconvenientesenalgunasocasiones[1]: - Yesoysimilares:Setratadeunprocedimientopocousadoyaquelareducción suelesermuydifícilygeneralmenteinestable,sobretodoenfracturas desplazadas,delterciosuperioroinferiordelfémur,sometidasaviolentas traccionesmusculares.Sinembargo,estaopciónnodebedeserdesechadadel todosisetratadepacientesjóvenesysehalogradounareduccióny estabilizacióncorrecta[1]. - Traccióncontinua:Setratadeunmétodoquesirveparamantenerlalongitud delaextremidadyqueasuvezalineayestabilizaelfocodefractura. Procedimientosquirúrgicos:Comosehamencionadoanteriormente,setratadeun tratamientoquelogralareducciónanatómicaestable,asícomounarehabilitación precozyunahospitalizaciónmásbreve.Esteprocedimientoeselegidoenpacientes adultos.Acontinuación,secitanlosprincipalesprocedimientosdeosteosíntesis: - Placas:Paraelusodeestemétodoesprecisounabordajeexternoyuna extensadesperiostización(membranafibrosaadheridaaloshuesos,quesirve parasunutriciónyrenovación).Seprecisaconseguirunareducciónanatómica conelanclajeadecuado(Fig.1).Unavezlogradalaconsolidaciónseretirala
Clavointramedularparafracturasdefémur. osteosíntesis,seprotegeelmusloysedebenevitarsobreesfuezosparala recuperacióncompletadelazonacortical[5]. Figura1.Placa - Fijadoresexternos:Setratadeuntratamientoadecuadoparafracturas abiertasopacientesconfaltadecoberturacutánea.Lafracturadebe reducirselomásanatómicamenteposibleantesdecolocarlaspuntas roscadasdefijaciónancladasenlasdoscorticales.Enalgunoscasos,lafijación externaesunmétodoprevioparalacuracióndelaspartesblandas,que deberásercambiadoposteriormenteporunenclavadointramedular[5].La figura2muestraestedispositivodeosteosíntesis. Figura2.Fijadorexterno - Enclavadointramedular:Eseltratamientodeelecciónenfracturasdiafisarias femoralesy,graciasaldesarrollodelosclavosbloqueados,seconsigueuna buenaestabilizacióndelasfracturasconminutasyoblicuas.Lacolocaciónde losclavosintramedulares(Fig.3)requiereunaoperaciónpocoinvasivay durantelacuracióndelafractura,elclavopermiteciertomovimientodelcallo defractura,quepodríaserbeneficiosoparasuconsolidación[5]. © Carolina Lozano Sanz 6
Clavointramedularparafracturasdefémur. Figura3.Enclavadointramedular 1.2.3.Fasederehabilitación Estafasetienecomoobjetivoreconstruirlafuerzaylaflexibilidaddelosmúsculosde lapierna.Estoseconsigueabasedeejerciciosdeamplituddemovimientoy estiramientos.Unavezquelafracturahacurado,esnecesarioqueseefectúeuna vueltagradualalaactividadcotidianaparaprevenirlarepeticióndelalesión[4]. 1.3. Usodeclavosintramedularesencirugíaortopédica Comosehamencionadoanteriormente,lasfracturasdeladiáfisisdelhuesofemoral correspondenaun1.3%delasfracturastotalesdelcuerpohumano,mientrasqueel porcentajederoturadeladiáfisisdelatibiayelhúmeroesdel1%paracadazona[2]. Elusodeclavosintramedularesesunmétodomodernoparaeltratamientode fracturasquetambiénseusaenhuesoscomoelhúmeroylatibia.Lafuncióndelclavo eslamismaqueenelcasodelfémur,estabilizarlosfragmentosfracturados permitiendoquesetransmitalacargaatravésdelfocodelafracturamientrasse mantieneelalineamientoanatómicodelhueso. Elhuesotibial,unodelosmáslargosdelcuerpohumano,estádestinadoasoportarla cargadelpesoytieneunaextensaáreadesprovistadeinsercionesmusculares,loque determinaunapobrevascularización.Debidoasulocalización,estáexpuestaa lesionesfrecuentes.Porotrolado,esunazonadondelasfuerzasdeflexiónyrotación actúancomograndesbrazosdepalanca[6]. Lostratamientosquirúrgicosparalafracturadiafisariadelatibiahansidomuy discutidos,debidoalalistadecomplicacionesqueseproducendeunalarga intervención.Esporesoquesesuelerecomendareltratamientoortopédicoparaeste tipodelesiones.Sinembargo,ellargotiempodeinmovilización,laatrofiamuscular, lasrigidecesmuscularesylasrigidecesarticularesqueconlleva,hacenqueel procedimientoaseguirseorientealtratamientoquirúrgico[6]. © Carolina Lozano Sanz 7
Clavointramedularparafracturasdefémur. Lamayoríadelasfracturasdehúmerosepresentanenadultos,enplenaactividady comoconsecuenciadeaccionesviolentas.Cuandoestafracturanomuestra complicaciones,seoptaporuntratamientoconservador,reducciónyposterior inmovilizacióndelbrazo,queenel90%deloscasosproducelacuraciónconéxito.Sin embargo,enelcasodefracturasbilateralesyfracturasipsilateralesdelhúmero,así comoencasodepolitraumatismosylesionesmusculares,serecomiendacomoel mejortratamientolaintervenciónquirúrgica.[7]. Loshuesosmáslargosdelosquesecomponelapiernaposeencaracterísticas anatómicasdiferentes,quesecitanacontinuación: - Elfémur(Fig.4),paryasimétrico;siseconsideraunesqueletoenposición vertical,elhuesofemoralsedirigeoblicuamentedearribaabajoydefuera haciadentro.Ademáselcuerpodelhuesoestácurvadosobresímismoporlo quepresentalaformadeunarcocuyaconcavidadmirahaciaatrás.Porúltimo, elfémurpresentaunaligeratorsión;elejedelcuellofemoralnoestáenel mismoplanoqueelejetransversaldeloscóndilos.Comoentodosloshuesos largos,sepuedendistinguirtrespartes:elcuerpoodiáfisis,queposeeuna formaexternatriangular,ylasdosextremidades,laepífisisoextremosuperior ylaepífisisoextremoinferior.[5]. (a)(b) Figura4.(a)Vistadefémurplanofrontal(b)Vistafémurplanosagital - Latibia(Fig.5)eselsegundohuesomáslargodelcuerpohumanocon extremidadesanchas,especialmenteenelextremosuperiordebidoaqueenesazona searticulaconelfémur.Altratarsedeunhuesolargo,estácompuestoconlasmismas © Carolina Lozano Sanz 8
Clavointramedularparafracturasdefémur. partesqueelfémur.Ladiáfisistambiénposeeunaformaexternatriangularyuna seccióninternacircular[5]. Figura5.Tibia Unavezconocidalaanatomíadeamboshuesos,sedebediseñarunclavointramedular queseadapteperfectamentealaanatomíadecadahueso.Sedebeevitarqueelclavo contacteconlazonacorticaldeladiáfisisyquedeinsertadoenelcanalmedular. Porotrolado,losdesplazamientosentrefragmentosfracturados,movimientosde hasta2mm,estimulanlaconsolidaciónósea[8].Portanto,lautilizacióndeclavos intramedularescomométododeosteosíntesisayudaalaformacióndelcalloóseo. Porúltimo,enesteproyectosevaaestudiarelhuesofemoralconunúnicocasode carga,elmásdesfavorable,quecorrespondeconelciclodemarcha.Enelcasodela tibia,sedeberíanestudiardoscasosdecarga:elciclodemarchayunmovimientode torsión.Esteúltimo,esunmododelesiónmuycomúnenelhuesotibial. © Carolina Lozano Sanz 9
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 16 Unavezprocesadalaimagen,sehapasadoacrearelmodelodeelementosfinitoscon elprogramaI‐DEAS[15].Enesemomentosecontabaconunasuperficie correspondientealasuperficieexteriordelfémur,sindistinciónentrelosdiferentes materialesquelocomponen(esponjosoycortical).Acontinuación,seharealizadoun malladotridimensionalysehaprocedidoaladistincióndemateriales,nombrada anteriormente.Imponiendolascondicionesdecontornonecesariasylascargas aplicadas,sehaprocedidoacalcularconelprogramaAbaqus[16],obteniendo resultadosqueseasemejabanalcomportamientomecánicodelfémur. Unavezqueseobtuvoelmodelodelfémursano,sehaprocedidoalamodelización delhuesofemoralconlaimplantacióndelclavointramedular.Elclavointramedulary lostornillos,semodelaronenI‐DEASsegúnlascaracterísticasgeométricasaportadas porelfabricante.Tantoelposicionamientodelclavo,comolageneracióndelas diferentesfracturasquesesimularonenelmodelo,fueuntrabajorealizadobajo supervisiónmédica,conelobjetivoderealizarunasimulaciónlomásrealposible. Finalmentesecompararáanalíticamenteelcomportamientobiomecánicodelfémur sanoconelfémurimplantado.
Clavointramedularparafracturasdefémur. 3. Modelosdeelementosfinitos.Fémursano. Enestecapítuloseindicaelprocedimientoseguidoparalaobtencióndelageometría deunfémur,atravésdeunmodeloreal,yelmodelodeelementosfinitos.Sedescribe elprocesoseguido,losprogramasempleados,lascondicionesdecontorno,las condicionesdecálculoylosresultados. 3.1. Obtencióndelageometría Parareproducirlageometríadelfémurlomásfielmenteposiblesehapartidodeun modeloanatómicofemoraladulto.Esteseescaneóenunescánerlásertridimensional, marcaRolandPIZCAmodeloLPX‐250,medianteunescaneopor6planos.Seobtuvo unanubedepuntosquepermitióaproximarlageometríabásicadelfémur.Debidoa quelaalturadeescaneoteníaunalimitaciónde400mmyelhuesofemoralmide aproximadamente455mm,setuvoquehacerelescaneoendospartes. Unavezqueseobtuvieronambasimágenes,seprocesaronconelprogramaDr.Pizca, dondeseleshaeliminadoelruido.Posteriormente,seexportaronconformato.pixa unprogramadetratamientodeimágenes,Pixform. Enprimerlugar,ypartiendodelasimágenesqueseobtuvierondelescáner,seeliminó elpedestalquemanteníaenposiciónverticalalmodelo,acontinuación,secreóuna mallapoligonalqueseaproximabaalageometría,seeliminarontodaslas imperfeccionesyparaunirlasdosmallasseprocedióaunfusionadodelasmismas. Porúltimo,segeneróunasuperficieNURBS(Fig.15),yseexportóconformato.igsa unprogramadeelementosfinitos,I‐DEAS.SehadetalladoelprocesoenelANEXOI. Figura15.SuperficieNURBSdelfémur © Carolina Lozano Sanz 17
Clavointramedularparafracturasdefémur. Traseltratamientodelaimagen,sehabíaobtenidounmodelogeométricodelhueso quecorrespondealasuperficieexteriordelfémur.EnI‐DEAS,sedividióelmodeloen treszonas:superior,mediaeinferiorquesecorrespondenconlazonaproximal, medialydistal,respectivamente(Fig.16). Figura16.Diferenciaciónpartesdelfémur Lazonasuperioreinferiorsecomponendehuesocorticalytrabecular,mientrasquela zonacentralconstaprincipalmentedehuesocorticalycanalmedular.Paraobtenerla separacióndelosdiferentesmaterialesenlazonamedialyunbuenmallado,se decidióreconstruiresta.Sedividióenseccionescada5mmparaconseguirunabuena precisiónyencadaunadeellassedibujóunspline,quesecorrespondíaconel contornodelhueso,apartirdepuntosseleccionadosmanualmente.Unavez terminadoesteprocesosedióunespesorde3mmalazonacortical(Fig.17).Seha detalladoelprocesoenelANEXOII. Figura17. Reconstruccióncortical © Carolina Lozano Sanz 18
Clavointramedularparafracturasdefémur. Porúltimo,parareconstruirlazonamedialsegeneróunvolumenconlassecciones anteriores.Lazonamacizasecorrespondeconhuesocorticalmientrasquelazona huecareproduciríaelcanalmedular.Estaúltimazonasehaconsideradohuecadebido alasbajaspropiedadesmecánicasdelamédulaósea. Enelrestodelfémurnohasidonecesariaunareconstruccióngeométrica,yla asignacióndematerialesseharealizadomodificandolaspropiedadesdelos elementos,talycomoseexplicaenelsiguienteapartado. 3.2. Generacióndelmodelodeelementosfinitos Traslaobtencióndelageometríadeseadaenelprocesoanterior,seharealizadoun malladoautomáticoyposteriormentesehaprocedidoaladistincióndelosmateriales. Paraello,sehancreadodosgrupos,corticalytrabecular,conloselementosque componencadazonaósea.Paraelgrupocorticalenlacabezasuperior,sehahecho unaseleccióndeloselementosynodosdelasuperficieyenlazonacercanaalmedial sehanseleccionadoloselementosrelacionadosconloselementosdelasuperficie paracrearunazonadetransiciónentrelazonamedialylazonaproximal.Este procedimientoserepitióenlacabezainferiorycomosehamencionado anteriormente,loselementosdelazonacentralhansidoconsideradoselementosdel grupocortical.Acontinuación,sehamodificadoelcolordeloselementospara diferenciarlosdelresto.Loselementosdelazonatrabecularseobtuvieroncomo diferenciaentreloselementosdelazonacorticalyelrestodeloselementosdel modelo.SehadetalladoelprocesoenelANEXOII. Lafigura18muestraelmodelodeelementosfinitos. Figura18.Detalledelamalla © Carolina Lozano Sanz 19
Clavointramedularparafracturasdefémur. 3.2.1.Característicasdelamalla Elmodelohasidomalladoconelementossólidosdetipotetraédricodeaproximación lineal,obteniéndoseuntotalde377692elementos.Estoselementossedividenen corticalytrabecular: - Huesocortical:187696elementos. - Huesotrabecular:189996elementos. 3.3. Propiedadesdelosmateriales Sehaconsultadobibliografíaespecializadaparalaobtencióndelaspropiedadesdelos materialesóseos[14,17].LaTabla1muestralaspropiedadesmecánicasdelas distintaszonasóseasysehansimplificadoconsiderándoloscomomaterialeselásticos linealeseisótropos,comoeshabitualenestetipodeestudios. Tabla1.Propiedadesmecánicasdelhueso TipodehuesoE(MPa)Poisson Cortical200000.3 Trabecular9590.2 3.4.Cargasycondicionesdecontorno Paralaselecciónadecuadadelascargasycondicionesdecontornosehanestudiado variosartículosyseleccionadoelquemejorseajustabaalarealidad[10,11,12,13,14, 17].Esteestudiosehacentradoenelciclodemarchaenelinstante,entérminos mecánicos,másdesfavorable. Elciclodemarchacomienzaalcontactarelpieconelsueloyterminaconelsiguiente contactodelpieenelsuelo.Duranteelciclodemarchaexistendosfases:lafasede apoyoyladebalanceo(Fig.19).Seconsideraqueunapiernaestáenfasedeapoyo cuandoestáencontactoconelsueloyqueestáenfasedebalanceocuandono contactaconelsuelo.El60%delciclodemarchacorrespondealafasedebalanceoy el40%alafasedeapoyo[18]. Figura19.Representacióndelciclodemarcha © Carolina Lozano Sanz 20
Clavointramedularparafracturasdefémur. Lafuerzaquegeneranlosabductoresesdosveceselpesodelcuerpoyproduceuna reacciónenlacabezafemoralde2.75veceselpeso.Elcasomásdesfavorableenel ciclodemarchaocurrecuandoeltalónimpactaconelsuelooeneldobleapoyo,en esemomentolacargapuedeincrementarsehasta4veceselpesodelcuerpo.Lacarga delacabezafemoralseaplicaráconunángulode16ºylacargadebidaalmúsculo abductorseaplicaráconunángulode21º[17].Lafigura20muestralazonadondese debenaplicarlascargas. Figura20.Condicionesdecontornoeneltercioproximal Paraesteproyecto,sehaconsideradounindividuovarónde80kg,porlotantola fuerzaenlacabezafemoralseríade3172Nylacargaqueseaplicaeneltrocánter mayorseríade1586N. AlintroducirlacargaenI‐DEAS,yparaqueasuvezresultemásreal,sehaintroducido lafuerzaenvariosnodosenlugardeaplicarloaunsolonodo.Deestemodo,seevitan losproblemaspuntualesdelaconcentracióndetensionesqueapareceríaalintroducir lacargaenunsolonodoyalejaríaestasimulacióndelarealidad.Lafigura21muestra lascargasenlacabezafemoral. © Carolina Lozano Sanz 21
Clavointramedularparafracturasdefémur. Figura21.Cargasenlaparteproximal Comocondicióndecontornosevanaimpedirlosdesplazamientosenlazonadelos cóndilos(Fig.22). Figura22.Condicionesdecontorno 3.5.CondicionesdecálculoenAbaqus Unavezqueelmodelodeelementosfinitossehacompletado,sehaexportadoal softwarecomercialABAQUSv.6.7paralaobtenciónlasolucióndeloscasos planteados. © Carolina Lozano Sanz 22
Clavointramedularparafracturasdefémur. Paraelfémursanonoseránecesariorealizarningunasimulaciónespecíficade contacto,portanto,lasórdenesintroducidasenelfichero.inpseránmássencillasque enlosposterioresficherosquesegeneraranconelfémurimplantado. Losgruposdeelementosquedefinenelmodeloysuscondicionesdecontornosehan exportadodeI‐DEAS.Enelficherogenerado,sehanintroducidolaspropiedadesde cadaunodelosmaterialesquecomponenelmodelo,loscualessehanconsiderado quetienenuncomportamientoelásticolinealeisótropoyseharealizadounanálisis estático.UnavezprocesadoelmodeloenAbaqus,sehautilizadoelmódulo“Abaqus Viewer”paralavisualizacióndelosresultados.Esteprocesosehadetalladoenel ANEXOIII. 3.6.Resultados Seindicanlosresultadosdeladeformadaresultante,desplazamientosytensiones obtenidosapartirdelasimulacióndeAbaqus. 3.6.1.Deformadas Lafigura23muestraladeformadaresultantedebidaalascargasycondicionesde contornotantoenelplanosagitalcomoparaelfrontal.Paraapreciarelresultadocon detallesehaaplicadounfactordeamplificaciónde5. (a) (b) Figura23.(a)Deformadaplanofrontal(b)Deformadaplanosagital 3.6.2.Desplazamientos Lafigura24muestralosdesplazamientosobtenidosdelfémursano.Enlacabezadel fémursepuedeobservarelelevadodesplazamientodebidoalacargaimpuesta,que generaunmomentoflectorrespectoalazonaapoyadadebidoalaexcentricidaddela © Carolina Lozano Sanz 23
Clavointramedularparafracturasdefémur. carga,mientrasqueenlazonadistalnoexistedesplazamientodebidoaquesehan impedidolosdesplazamientos. (a)(b) (c) Figura24.(a)Leyendadesplazamientos[m](b)Desplazamientoscaraanterior(b)Desplazamientos caraposterior 3.6.3.Distribucióndetensiones EnlaFigura25sepuedeobservarladistribucióndetensionesdeVonMises.Enla figura26sepuedeapreciarcómolacarainteriordelafémurestátraccionadayenla figura27sepuedeverlacaraexteriordelhuesoestácomprimida.Estosedebe,como sehamencionadoanteriormente,alaexcentricidaddelacarga.Asímismo,sepuede observarunagransolicitacióndebidoalascargas. © Carolina Lozano Sanz 24
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura25.(a)LeyendaVonMises[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior (a)(b) (c) Figura26.(a)Leyendatensiónmáximaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior © Carolina Lozano Sanz 25
Clavointramedularparafracturasdefémur. 5.3.FracturasTipo Paralaeleccióndelasfracturasseanalizólaclasificacióndefracturasdiafisariassegún Winquistysegúnrecomendacionesmédicas,seeligieronlasmásfrecuentes.En concretoseseleccionó[5]: - Fracturaplanaenelterciomedio. - Fracturaplanaenlaunióndelterciosuperiorconelterciomedio. - Fracturaplanaenlauncióndelterciomedioconeltercioinferior. - Fracturaterciomediooblicua‐espiroidea. 5.3.1.FracturaTipoI.Fracturaplanaenelterciomedio Estetipodefractura(Fig.34)secaracterizaporencontrarseenlazonacentraldel fémur.Elprocedimientoparagenerarlafracturahasidoeliminandoloselementos necesariosdelmodelo. (a)(b) Figura34.(a)FracturatipoI(b)DetallefracturatipoI 5.3.1.1.Característicasdelamalla Todoelmodelohasidomalladoconelementossólidosdetipotetraédricode aproximaciónlineal,obteniendountotalde717298elementos.Ladistribuciónde elementosporgruposeslasiguiente: © Carolina Lozano Sanz 32
Clavointramedularparafracturasdefémur. ‐Huesocortical:188267elementos ‐Huesotrabecular:258609elementos ‐Titanio:132051elementos 5.3.2.FracturaTipoII.Fracturaplanaenlaunióndelterciosuperiorconel terciomedio Estetipodefractura(Fig.35)secaracterizaporencontrarseenlazonadeunióndel terciomedioconelterciosuperior.Parasimularestafracturaseprocedióaeliminar manualmenteelementosdelamallaenlazonadeseada. (a)(b) Figura35.(a)FracturatipoII(b)DetallefracturatipoII 5.3.2.1.Característicasdelamalla Todoelmodelohasidomalladoconelementossólidosdetipotetraédricode aproximaciónlineal,obteniendountotalde717371elementos.Ladistribuciónde elementosporgruposeslasiguiente: ‐Huesocortical:178375elementos ‐Huesotrabecular:258609elementos ‐Titanio:132051elementos © Carolina Lozano Sanz 33
Clavointramedularparafracturasdefémur. 5.3.3.FracturaTipoIII.Fracturaplanaenlaunióndelterciomedioconel tercioinferior Estetipodefractura(Fig.36)secaracterizaporencontrarseenlazonadeunióndel terciomedioconeltercioinferior.Elprocedimientoparagenerarlafracturahasidoel mismoqueenelcasoanterior,eliminandoloselementos. (a)(b) Figura36.(a)FracturatipoIII(b)DetallefracturatipoIII 5.3.3.1.Característicasdelamalla Todoelmodelohasidomalladoconelementossólidosdetipotetraédricode aproximaciónlineal,obteniendountotalde716997elementos.Ladistribuciónde elementosporgruposeslasiguiente: ‐Huesocortical:187966elementos ‐Huesotrabecular:258609elementos ‐Titanio:132051elementos 5.3.4.FracturaTipoIV.Fracturaterciomediooblicua‐espiroidea. Estetipodefractura(Fig.37)secaracterizaporencontrarseenlazonacentraldel fémurconformadeespiral.Elprocedimientoparagenerarlafracturahasidoelmismo queenloscasosanteriores,eliminandoloselementos © Carolina Lozano Sanz 34
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) Figura37.(a)FracturatipoIV(b)DetallefracturatipoIV 5.3.4.1.Característicasdelamalla Todoelmodelohasidomalladoconelementossólidosdetipotetraédricode aproximaciónlineal,obteniendountotalde716997elementos.Ladistribuciónde elementosporgruposeslasiguiente: ‐Huesocortical:186749elementos ‐Huesotrabecular:258609elementos ‐Titanio:132051elementos 5.4.Propiedadesdelosmateriales Losmaterialesasignadosalosdistintoselementosdelmodelodefémurimplantado hansidomencionadosanteriormente,tantocomoparalaszonasóseascomoparael clavointramedularylostornillos. Enlatabla3semuestranlaspropiedadesmecánicasutilizadas.Tantoenelhueso comoenelconjuntoclavo‐tornillossehansimplificadolaspropiedades considerándolosmaterialesconuncomportamientoelásticolinealeisótropo[17]. © Carolina Lozano Sanz 35
Clavointramedularparafracturasdefémur. Tabla3.Propiedadesmecánicasdelconjunto TipodehuesoE(MPa)Poisson Cortical200000.3 Trabecular9590.2 Titanio1055300.35 5.5.Cargasycondicionesdecontorno Teniendocomoreferencialosnodosenloscualesseaplicanlasfuerzasenlacabeza femoralyeneltrocántermayordelfémursano,sehanseleccionadolosnodosmás cercanosadichospuntosparaintroducirlascargas(Fig.38).Delmismomodoquese realizóanteriormente,sehaoptadoporintroducirlacargarepartidaenvariosnodosy nodemanerapuntualparaevitarproblemasdeconcentracióndetensiones.Trasla operación,elfémurnosoportaráelpesocompletodelapartesuperiordelcuerpo porqueparatrasladarseelpacienteseayudademuletas,porlotanto,sehaminorado enunfactordediezlacargaquesoportaelfémurimplantado[11]. Figura38.Cargasenlaparteproximal Enlapartedistaldelfémursehaaplicadocomocondicióndecontornoun empotramientoenlazonadeloscóndilos(Fig.39),impidiendoasílosgirosy desplazamientos. © Carolina Lozano Sanz 36
Clavointramedularparafracturasdefémur. Figura39.Condicionesdecontorno Sehageneradounficheroparacadatipodefractura,partiendodeunficherodonde nosehabíaeliminadoningúnelementodelfémur,secontabaconelconjuntoclavotornillosylascargasycondicionesdecontornohabíansidoaplicadas. 5.6.CondicionesdecálculoenAbaqus Parasimularlafracturayrealizarunanálisisdelosresultados,esprecisodefinir condicionesdecontactoyuniónentrelaspartesdelhuesofemoralimplantadoenlas condicionesdecálculodeAbaqus.Paraconseguirestasimulación,esnecesariocrear diferentesgruposdeelementos,paradefinirlassuperficiesdecontactodelconjunto clavo‐tornillosyelfémur. Elprocedimientoquesehaseguidoparadefinirlasunionesenlacabezasuperiore inferiordelhuesohasidocreargruposdeelementosentrelassuperficiesdecontacto delostornillosdebloqueo,clavoyfémur.Lacreacióndecadagruposeharealizadode lasiguientemanera:sehaseleccionadolasuperficieexternadecadacomponentede titanioylacorrespondientezonadecontactoconelesponjoso.Laseleccióndelos elementosseharealizadodemaneraautomáticayposteriormentesehaneliminando loselementosquenoestabanencontacto. Paradefinirelcontactoentreelclavointramedularyladiáfisisdelfémur,sehacreado ungrupoconloselementosdelasuperficieexternadelclavoyotrogrupoconlos elementospertenecientesalasuperficieinternadelhueso.Laseleccióndeestos elementosseharealizadomanualmente(Fig.40). © Carolina Lozano Sanz 37
Clavointramedularparafracturasdefémur. Figura40.Detallecontactoclavointramedular‐diáfisisfemoral Unavezrealizadoelcálculo,sedeseabaconocereldesplazamientoqueseproducíaen elfocodefracturaparaversisefavorecíalaformacióndecalloóseo.Paraello,se crearondosgruposdeelementos,unocorrespondientealosnodossuperioresdela fracturayotrogrupoconlosnodosinferiores. Lasórdenesintroducidasenelficheroconformato.inp,sonlasmismasparaloscuatro casosdefractura.ElprocesoseguidoseexplicadetalladamenteenelANEXOIII. Cadaunodelosdiferentesarchivosdemodelodefémurfracturado,sehaexportado deI‐DEAS.Posteriormente,sehandefinidoloscontactosyuniones,sehandefinidolas propiedadesmecánicasdelosmateriales,loscualessehanconsideradoquetienenun comportamientoelásticolinealeisótropo,yseharealizadounanálisisestático.Una vezprocesadoelmodeloenAbaqus,sehautilizadoelmodulo“AbaqusViewer”parala visualizacióndelosresultados. 5.7.Resultados Enlarealidad,lasfracturasseintentanreducirengranandolapartesuperiordelhueso conlainferiorylacargasetransmitetantoporelhuesocomoporelclavo.Eneste proyecto,sehasimuladoelcasomásdesfavorabledefractura,queocurrecuandola zonasuperiorylazonainferiornoengrananyenclavotienequesoportartodala carga. Acontinuación,seindicanlosresultadosdeladeformadaresultante,desplazamientos ytensionesobtenidas,apartirdelasimulaciónconAbaqusdecadaunadelas fracturastipo. © Carolina Lozano Sanz 38
Clavointramedularparafracturasdefémur. 5.7.1.ResultadosfracturaTipoI.Fracturaplanaenelterciomedio 5.7.1.1.Deformadas Lafigura41muestraladeformadaresultantedebidaalascargasimpuestastantoenel planosagitalcomoparaelfrontal.Paraapreciarelresultadocondetallesehaaplicado unfactoramplificadorde2.5. (a) (b) Figura41.(a)Deformadaplanofrontal(b)Deformadaplanosagital 5.7.1.2.Desplazamientos Enlasfiguras42y43semuestranlosdesplazamientosobtenidosdelfémur implantadoylosdesplazamientosdelclavo,respectivamente.Sepuedeapreciarqueel máximodesplazamientoseproduceenlapartesuperior,estosedebeaquelaparte superiordelfémurgiracomosólidorígido,porencimadelfocodefractura.Conforme nosacercamosalfocodefractura,podemosvercomolosdesplazamientosaumentan, debidoalmomentoflectorqueproducelaresultantedefuerzas. © Carolina Lozano Sanz 39
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura42.(a)Leyendadesplazamientos[m](b)Desplazamientoscaraanterior(c)Desplazamientos caraposterior (a)(b) (c) Figura43.(a)Leyendadesplazamientos[m](b)Desplazamientoscaraanterior(c)Desplazamientos caraposterior 5.7.1.2.1.Desplazamientorelativoenelfocodefractura Paracalculareldesplazamientorelativoenelfocodelafractura,sehaobtenidoel desplazamientodelosnodos.Sehautilizadoelfichero.datquehasidogeneradopor AbaqusysehaprocesadolainformacióndelosnodosdeinterésenunahojaExcel. © Carolina Lozano Sanz 40
Clavointramedularparafracturasdefémur. Paracadaincrementodecarga,sehaobtenidounpromediodedesplazamientosde losnodos,tantodelapartesuperiorcomodelainferior,ysehacalculadoel desplazamientorelativoentrelosnodospromedio.Esimportanteconocer,comoseha mencionadoanteriormente,queelclavointramedularsoportagranpartedelacarga, porloquelarigidezdelclavodeterminarálamagnituddelosmicromovimientosenla zonadelafractura. Enestetipodefractura,sepuedeobservarundesplazamientorelativodelosnodos localizadosenelfocodefracturaamedidaquelafraccióndecargaaumenta(Fig.44). Debidoaqueelfocodelafracturaseencuentraenlazonacentral,seobservaun desplazamientomínimoencomparaciónconelrestodeloscasosdefracturaplana planteados,comoseverámásadelante. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Desplazamiento(mm) Fraccióndecarga 1,2 Figura44.Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura Comosepuedeobservarenlagráficaanterior,latendenciadeldesplazamientoesno linealdebidoaloscontactosexistentesenlosdosextremosdelconjunto. 5.7.1.3.Distribucióndetensiones Comosepuedeapreciarenlafigura45elfémurquedaliberadodegranpartedelas tensionesmientrasqueelclavo(Fig.46)respondeperfectamentealasolicitaciónde lascargas.Comoseobservaenlasimágenes,lacaraexteriordelclavoestásometidaa tracción(Fig.48)ylacarainteriorseencuentracomprimida(Fig.50). © Carolina Lozano Sanz 41
Clavointramedularparafracturasdefémur. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Desplazamiento(mm) Fraccióndecarga Figura56.Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura Debidoaloscontactosexistentesenlosdosextremosdelconjunto,latendenciadel desplazamientoesnolineal.Losdesplazamientosentrelosfragmentosfracturadosson superioresa2mm.Estosedebeaqueelcanalmedularestámuylabrado. 5.7.2.3.Distribucióndetensiones Lainterpretaciónentensionesessimilaralcasoanterior,elclavointramedular respondealassolicitacionesdecargamientrasqueelfémurquedaliberadodegran partedelastensiones. (a)(b) (c) Figura57.(a)LeyendaVonMises[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior © Carolina Lozano Sanz 48
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura58.(a)LeyendaVonMises[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior Comosepuedeobservarenlassiguientesimágenes,lacaraexteriordelclavoestá sometidaatracción(Fig.60)ylacarainteriorseencuentracomprimida(Fig.62),al igualqueocurríaenelcasoanterior. (a)(b) (c) Figura59.(a)Leyendatensiónmáximaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior © Carolina Lozano Sanz 49
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura60.(a)Leyendatensiónmáximaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior (a)(b) (c) Figura61.(a)Leyendatensiónmínimaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior © Carolina Lozano Sanz 50
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura62.(a)Leyendatensiónmínimaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior LatensióndeTrescamuestraquelapartemássolicitadaportensionestangencialesse encuentraenlaparteproximalydistal. (a)(b) (c) Figura63.(a)LeyendatensiónTresca[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior © Carolina Lozano Sanz 51
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura64(a)LeyendaTresca[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior 5.7.3.ResultadosfracturaTipoIII.Fracturaplanaenlaunióndelterciomedio coneltercioinferior 5.7.3.1.Deformadas Enlafigura65semuestraladeformadaresultante,alaqueselehaaplicadounfactor amplificaciónde2.5. (a) (b) Figura65(a)Deformadaplanofrontal(b)Deformadaplanosagital © Carolina Lozano Sanz 52
Clavointramedularparafracturasdefémur. 5.7.3.2.Desplazamientos Enlafigura66sepuedeobservarqueelmáximodesplazamientoseproduceenla partesuperiordelarotura,mientrasqueenlazonainferiorlosdesplazamientosson nulosdebidoalascondicionesapoyodequesehanaplicadoenloscóndilos.Aligual queocurríaenloscasosanteriores,podemosobservarcomolosdesplazamientos aumentanconformenosacercamosalfocodelafractura. (a)(b) (c) Figura66.(a)Leyendadesplazamientos[m](b)Desplazamientoscaraanterior(c)Desplazamientos caraposterior (a)(b) (c) Figura67.(a)Leyendadesplazamientos[m](b)Desplazamientoscaraanterior(c)Desplazamientos caraposterior © Carolina Lozano Sanz 53
Clavointramedularparafracturasdefémur. Eldesplazamientolateralenelfocodeestafracturaesaproximadamentedeunos 6mm.Setratadeundesplazamientomuygrandeparaquehayaunabuena consolidacióndelhueso.Estosedebeaqueelalojamientodelclavohasidomuy labradoydeberíadesermásestrecho.Paraello,sehasimuladoenI‐DEAScon varioselementostipospringelhuesotrabecular,reproduciendounasituaciónmás recomendableenestetipodefractura,queconsisteenunmayorajustealcanal intramedularconlaparedcortical,bloqueandodeestaformagranpartedel movimiento.Acontinuación,semuestranlosresultadosobtenidosconeste modelo. (a)(b) (c) Figura68.(a)Leyendadesplazamientos[m](b)Desplazamientoscaraanterior(b)Desplazamientos caraposterior Enlafiguraanterior,sevecomoeldesplazamientolateralhadisminuido,llegandoa serde1mm. 5.7.3.2.1.Desplazamientorelativoenelfocodefractura Paracalculareldesplazamientorelativoenelfocodelafractura,sehaseguidoel mismoprocedimientoqueenelcasoanterior. Enestafractura,sepuedeobservarundesplazamientorelativodelosnodos localizadosenelfocodefracturaamedidaquelafraccióndecargaaumenta(Fig.69). Elfocodelafracturaseencuentraenlazonadeuniónentreelterciomedioyeltercio inferior.Seobservaundesplazamientorelativoentrenodosmuyelevado. © Carolina Lozano Sanz 54
Clavointramedularparafracturasdefémur. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Desplaazamientos(mm) Fraccióndecarga Figura69.Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura Comosepuedeobservarenlagráficaanterior,losdesplazamientosentrelos fragmentosfracturadossonsuperioresa2mmylaconsolidacióndelhuesonoserála adecuada. Estegrandesplazamiento,comosehamencionadoenelcasoanterior,sedebeaque ellugardondesealojaelclavoestámuylabrado.Porlotanto,sehacalculadoel desplazamientorelativoenelfocodefracturaconlazonatrabecularsimulada.Como sepuedeobservarenlafigura70eldesplazamientorelativodisminuye considerablemente. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Desplaazamientos(mm) Fraccióndecarga 1,2 Figura70.Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura © Carolina Lozano Sanz 55
Clavointramedularparafracturasdefémur. Latendenciadeldesplazamientoesnolineal.Comosepuedeobservarenlagráfica, losdesplazamientosentrefragmentosfracturadoshadisminuidoylaformaciónde calloóseoseveráfavorecida. Cabedestacarquesilasimulaciónserealizarácaracterizandoelmaterialtrabecularen elrestodelasfracturasrealizadas,eldesplazamientorelativodelosnodosdela fracturatambiénresultaríamenorqueelobtenido,quesuponeunaenvolvente superior. 5.7.3.3.Distribucióndetensiones LatensióndeVonMisesmuestracomoelfémur(Fig.71)quedadescargadodegran partedelastensionesmientrasqueelclavointramedular(Fig.72)absorbela solicitacióndelascargas. (a)(b) (c) Figura71.(a)LeyendaVonMises[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior © Carolina Lozano Sanz 56
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura72.(a)LeyendaVonMises[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior Latensiónmáximaprincipalmuestraelclavo(Fig.74)traccionadoenlazonaexterior delmismo. (a)(b) (c) Figura73.(a)Leyendatensiónmáximaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior © Carolina Lozano Sanz 57
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) (c) Figura85.(a)Leyendatensiónmáximaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior (a)(b) (c) Figura86.(a)Leyendatensiónmáximaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior © Carolina Lozano Sanz 64
Clavointramedularparafracturasdefémur. Enlafigura88sevecómosecomprimeelclavoenlacarainterior. (a)(b) (c) Figura87.(a)Leyendatensiónmínimaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior (a)(b) (c) Figura88.(a)Leyendatensiónmínimaprincipal[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescara posterior © Carolina Lozano Sanz 65
Clavointramedularparafracturasdefémur. Lastensionestangencialesmáximasaparecenenelcuellodelfémuryenlaparte inferiordelmismo,comoocurreenloscasosanteriores. (a)(b) (c) Figura89.(a)LeyendatensiónTresca[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior (a)(b) (c) Figura90.(a)LeyendaTresca[Pa](b)Tensionescaraanterior(c)Tensionescaraposterior © Carolina Lozano Sanz 66
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 67 6. Conclusionesyfuturosestudios 6.1. Conclusiones Lasimulaciónmedianteelementosfinitospermitecaracterizarloscambios biomécanicosqueseproducenenelfémurtraslaimplantacióndeunclavo intramedularyexplicarloscambiosbiológicossufridosenelhuesofemoralcomo consecuenciadeunafractura. Deestemodo,esteestudiopermiteunanálisiscomparativoentreunfémursanoyuno implantandocomoconsecuenciadeunafractura,asícomounacomparativaante diferentestiposdefractura. Conesteproyectosedemuestraqueelfémurrespondepositivamenteantela implantacióndeunclavointramedularysecompruebaqueaparecendesplazamientos controladosenelfocodelafractura,loqueresultabeneficiosoparalaformaciónde calloóseo. 6.2. Futurosestudios Conelmodelodeelementosfinitosquesehadesarrolladoduranteesteproyectose podríanrealizarestudiosqueanalizasendiferentesmodelosdeclavosintramedulares, encuantoamaterialygeometría,asícomodiferentestécnicasdeposicionamiento.Así mismo,sepodríanestudiarotrosmétodosdeosteosíntesis. Actualmente,debidoalosaccidentesdetráficoexistennumerosostiposdefractura. Graciasalmodelodeelementosfinitosquesehacreadoenesteproyecto,sepodrían simularestostiposdefractura. Parafinalizar,sehaestudiadoelfémuranteunúnicocasodecargaporloquese podríaampliarsimulandoelfémuranteotroprocesosdecargahabitualesyasí comprobarlafuncionalidaddelclavointramedular.
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 68 Índicedefiguras FIG.TÍTULOPÁG.REF. 1Placa6[5] 2Fijadorexterno6[5] 3Enclavadointramedular7[5] 4aVistadefémurplanofrontal8 4bVistadefémurplanosagital8 5Tibia9 6Fémurconfracturadiafisalacopladoconunnuevosistema intramedular 11[10] 7aClavointramedular11[10] 7bDispositivo11[10] 8Cargas12[10] 9aFémurconclavointramedular12[11] 9bFémurconplaca12[11] 10Fémurconfijadorexterno13[12] 11aFémurimplantado 14[13] 11bModelodeclavo14[13] 12Cargasycondicionesdecontorno14[13] 13Clavogamma15[14] 14Cargasycondicionesdecontorno15[14] 15SuperficieNURBSdelfémur17 16Diferenciaciónpartesdelfémur18 17Reconstruccióndelcortical18 18Detalledelamalla19 19Representacióndelciclodemarcha20[18] 20Condicionesdecontornoeneltercioproximal21[17] 21Cargasenlaparteproximal22 22Condicionesdecontorno22 23aDeformadaplanofrontal23 23bDeformadaplanosagital23 24aLeyendadesplazamiento[m]24 24bDesplazamientoscaraanterior24 24cDesplazamientoscaraposterior24 25aLeyendaVonMises[Pa]25 25bTensionescaraanterior25 25cTensionescaraposterior25 26aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]25 26bTensionescaraanterior25 26cTensionescaraposterior25 27aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]26 27bTensionescaraanterior26
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 69 27cTensionescaraposterior26 28aLeyendatensiónTresca[Pa]26 28bTensionescaraanterior26 28cTensionescaraposterior26 29Clavocomercial27[19] 30Modelodeclavointramedular28 31Modelodeconjuntoclavointramedular‐tornillosdebloqueo28 32aPuntodeentradadelclavointramedular30[20] 32bInsercióndelclavointramedular30[20] 33aModeloEFfémurimplantado31 33bCortelongitudinalmodeloEFfémurimplantado31 34aFracturatipoI32 34bDetallefracturatipoI32 35aFracturatipoII33 35bDetallefracturatipoII33 36aFracturatipoIII34 36bDetallefracturatipoIII34 37aFracturatipoIV35 37bDetallefracturatipoIV35 38Cargasenlaparteproximal 36 39Condicionesdecontorno37 40Detallecontactoclavointramedular‐diáfisisfemoral38 41aDeformadaplanofrontal39 41bDeformadaplanosagital39 42aLeyendadesplazamientos[m]40 42bDesplazamientoscaraanterior40 42cDesplazamientoscaraposterior40 43aLeyendadesplazamientos[m]40 43bDesplazamientoscaraanterior40 43cDesplazamientoscaraposterior40 44Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura41 45aLeyendaVonMises[Pa]42 45bTensionescaraanterior42 45cTensionescaraposterior42 46aLeyendaVonMises[Pa]42 46bTensionescaraanterior42 46cTensionescaraposterior42 47aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]43 47bTensionescaraanterior43 47cTensionescaraposterior43 48aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]43 48bTensionescaraanterior43 48cTensionescaraposterior43 49aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]44
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 70 49bTensionescaraanterior44 49cTensionescaraposterior44 50aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]44 50bTensionescaraanterior44 50cTensionescaraposterior44 51aLeyendatensiónTresca[Pa]45 51bTensionescaraanterior45 51cTensionescaraposterior45 52aLeyendatensiónTresca[Pa]45 52bTensionescaraanterior45 52cTensionescaraposterior45 53aDeformadaplanofrontal46 53bDeformadaplanosagital46 54aLeyendadesplazamientos[m]47 54bDesplazamientoscaraanterior47 54cDesplazamientoscaraposterior47 55aLeyendadesplazamientos[m]47 55bDesplazamientoscaraanterior47 55cDesplazamientoscaraposterior47 56Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura48 57aLeyendaVonMises[Pa]48 57bTensionescaraanterior48 57cTensionescaraposterior48 58aLeyendaVonMises[Pa]49 58bTensionescaraanterior49 58cTensionescaraposterior49 59aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]49 59bTensionescaraanterior49 59cTensionescaraposterior49 60aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]50 60bTensionescaraanterior50 60cTensionescaraposterior50 61aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]50 61bTensionescaraanterior50 61cTensionescaraposterior50 62aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]51 62bTensionescaraanterior51 62cTensionescaraposterior51 63aLeyendatensiónTresca[Pa]51 63bTensionescaraanterior51 63cTensionescaraposterior51 64aLeyendatensiónTresca[Pa]52 64bTensionescaraanterior52 64cTensionescaraposterior52
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 71 65aDeformadaplanofrontal52 65bDeformadaplanosagital52 66aLeyendadesplazamientos[m]53 66bDesplazamientoscaraanterior53 66cDesplazamientoscaraposterior53 67aLeyendadesplazamientos[m]53 67bDesplazamientoscaraanterior53 67cDesplazamientoscaraposterior53 68aLeyendadesplazamientos[m]54 68bDesplazamientoscaraanterior54 68cDesplazamientoscaraposterior54 69Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura55 70Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura55 71aLeyendaVonMises[Pa]56 71bTensionescaraanterior56 71cTensionescaraposterior56 72aLeyendaVonMises[Pa]57 72bTensionescaraanterior57 72cTensionescaraposterior57 73aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]57 73bTensionescaraanterior57 73cTensionescaraposterior57 74aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]58 74bTensionescaraanterior58 74cTensionescaraposterior58 75aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]58 75bTensionescaraanterior58 75cTensionescaraposterior58 76aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]59 76bTensionescaraanterior59 76cTensionescaraposterior59 77aLeyendatensiónTresca[Pa]59 77bTensionescaraanterior59 77cTensionescaraposterior59 78aLeyendatensiónTresca[Pa]60 78bTensionescaraanterior60 78cTensionescaraposterior60 79aDeformadaplanofrontal60 79bDeformadaplanosagital60 80aLeyendadesplazamientos[m]61 80bDesplazamientoscaraanterior61 80cDesplazamientoscaraposterior61 81aLeyendadesplazamientos[m]61 81bDesplazamientoscaraanterior61
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 72 81cDesplazamientoscaraposterior61 82Desplazamientorelativodenodosdelfocodefractura62 83aLeyendaVonMises[Pa]63 83bTensionescaraanterior63 83cTensionescaraposterior63 84aLeyendaVonMises[Pa]63 84bTensionescaraanterior63 84cTensionescaraposterior63 85aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]64 85bTensionescaraanterior64 85cTensionescaraposterior64 86aLeyendatensiónmáximaprincipal[Pa]64 86bTensionescaraanterior64 86cTensionescaraposterior64 87aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]65 87bTensionescaraanterior65 87cTensionescaraposterior65 88aLeyendatensiónmínimaprincipal[Pa]65 88bTensionescaraanterior65 88cTensionescaraposterior65 89aLeyendatensiónTresca[Pa]66 89bTensionescaraanterior66 89cTensionescaraposterior66 90aLeyendatensiónTresca[Pa]66 90bTensionescaraanterior66 90cTensionescaraposterior66
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 73 Índicedetablas TABLATÍTULOPÁG.REF. 1Propiedadesmecánicasdelhueso20[17] 2Propiedadesmecánicasdeltitanio28[17] 3Propiedadesmecánicasdelconjunto36[17]
Clavointramedularparafracturasdefémur. AnexoII:I‐DEAS Enelprogramadetratamientodeimágenes,Pixform,segeneróunasuperficieNURBS (Fig.1)queposteriormentefueexportadaconformato.igsparacrearunmodelode elementosfinitosenI‐DEAS.Lasuperficiecreadaeraunmodelogeométricodelhueso femoralquecorrespondealasuperficieexteriordelfémur. Figura1.SuperficieNURBSdelfémur LaprimeraoperaciónqueserealizóenI‐DEASfueorientarelfémurconrespectoalos ejesxyz.Acontinuación,sedividióelmodeloentreszonas:superior,mediaeinferior (Fig.2). Figura2.Diferenciaciónpartesdelfémur © Carolina Lozano Sanz 80
Clavointramedularparafracturasdefémur. Sedecidióreconstruirlazonamedialpordosrazones:paraconseguirunbuenmallado yparaobtenerlaseparacióndelosdistintosmaterialesdelosquesecompone (corticalycanalmedular).Paraello,sedividióenseccionescada5mm(Fig.3),para conseguirunabuenareconstrucción,yencadaunadeellassedibujóunspline,quese correspondíaconlasuperficiedelhueso,apartirdepuntosseleccionados manualmente. Figura3.Splinesparareconstruccióndelmedial Unavezconcluidoelprocedimiento,sedióunespesorde3mmalazonacorticaly paraterminarconlareconstruccióndelazonamedial,segeneróunvolumenconlas seccionesanteriores(Fig.4). Figura4.Reconstruccióncortical © Carolina Lozano Sanz 81
Clavointramedularparafracturasdefémur. Unavezqueseobtuvolageometríadeseada,serealizóunmalladoautomáticocon elementosshell,conuntamañode1.5mm,decadaunadelaszonas.Posteriormente, comonoexistíacoincidenciaentrelosnodosdelapartesuperiorconelmedialyentre losnodosdelaparteinferiorconelmedial(Fig.5)sehicieroncoincidirconun modificadomanualdelamalla.Unavezquelosnodosfueroncoincidentes,se transformólamallasuperficialaunamallatridimensional. Figura5.Detallenocoincidenciadenodos Traslaobtencióndelamallatridimensional,seprocedióaladistincióndelosdistintos materiales.Paraello,secrearondosgrupos,corticalytrabecular,conloselementos quecomponencadazonaósea.Paraelgrupocorticalenlaparteproximal,sehan seleccionadoloselementosynodosdelasuperficieyenlazonacercanaalmedialse hanseleccionadoloselementosrelacionadosconloselementosdelasuperficie,para crearunazonadetransiciónentrelazonamedialyzonasuperior.Esteprocedimiento serepitióenlacabezainferioryloselementosdelazonacentralfueronconsiderados huesocortical.Paradiferenciarestoselementosdelrestoseleshamodificadoelcolor. Loselementosdelhuesotrabecularfueronobtenidoscomodiferenciadelos elementosdelhuesocorticalyelrestodeloselementosdelmodelo.Lafigura6 muestraelmodelodeelementosfinitos. © Carolina Lozano Sanz 82
Clavointramedularparafracturasdefémur. Figura6.Detalledelamalla Elsiguientepasofuelaintroduccióndelascargasycondicionesdecontorno.Se seleccionóungrupodenodosenlacabezafemoral,eltrocántermayoryloscóndilos. Acontinuación,seintrodujolacarga(Fig.7(a))enlacabezafemoralyeneltrocánter mayoryaloscóndilos(Fig.7(b))seleimpidieronlosgirosylosdesplazamientos. (a) (b) Figura7.(a)Cargas(b)Condicionesdecontorno Trasobtenerelmodelodeelementosfinitosdelfémursanoseprocedióalaobtención delmodelodelhuesofemoralimplantado.Enprimerlugarsecreóelconjuntoclavotornillos(Fig.8).Acontinuación,seposicionóelconjuntorespectodelhueso, © Carolina Lozano Sanz 83
Clavointramedularparafracturasdefémur. colocándoloenlaposicióndeseada,ylaszonasdondeelfémursesuperponíaconel conjuntofueroneliminadas. Figura8.Modelodeconjuntoclavointramedular‐tornillosdebloqueo Unavezqueseobtuvolageometríadeseada,elprocedimientoseguidoparaconseguir unmalladotridimensionaldelmodelofueelmismoqueparaelcasodelfémursano.El conjuntoclavo‐tornillosfuemalladodemodoautomáticoconuntamañodeelemento de1mm.Lafigura9muestraelmodelodeelementosfinitosdelhuesofemoral implantado. © Carolina Lozano Sanz 84
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) Figura9.(a)ModeloEFfémurimplantado(b)CortelongitudinalmodeloEFfémurimplantado Elmétodoseguidoparaladistincióndematerialestambiénfueelmismoqueenel casodefémursano.Paraloselementosdelconjuntoclavo‐tornillosnofuenecesario crearningúngrupodebidoaquesecomponendeunúnicomaterial,titanio. Cadaunadelasfracturastipofuegeneradaeliminandoloselementosnecesariosdel modelo.Enlafigura10apareceunejemplodefractura. © Carolina Lozano Sanz 85
Clavointramedularparafracturasdefémur. (a)(b) FiguraX.(a)Fractura(b)Detallefractura Porúltimo,lascargasfueronintroducidasconelmismoprocedimientoquesesiguió enelmodelodefémursano.Lafigura11muestralascargasycondicionesde contorno. (a)(b) Figura11.(a)Cargas(b)Condicionesdecontorno © Carolina Lozano Sanz 86
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 87 AnexoIII:Abaqus Conelmodelodeelementosfinitoscompletado,sehaexportadoalsoftware comercialAbaqusv6.7paralaobtencióndelasolución. Enelficheroquesehagenerado,conextensión.inp,sehanexportadolosgruposde elementosycondicionesdecontorno.Enelmismo,sehanintroducidolaspropiedades delosmateriales.Acontinuación,secitaelmododeasignarunmaterialaungrupode elementos: ‐Materialesponjoso *SOLIDSECTION, ELSET=ESPONJOSO, MATERIAL=ESPONJOSO 1.00000E+00, *MATERIAL,NAME=ESPONJOSO *ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC 959000000,0.2 ‐Materialtrabecular *SOLIDSECTION, ELSET=CORTICAL, MATERIAL=CORTICAL 1.00000E+00, *MATERIAL,NAME=CORTICAL *ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC 20000000000,0.3 Enelcasodefémurimplantadoesnecesariodefinirlaspropiedadesmecánicasdel conjuntoclavo‐tornillos.Acontinuación,semuestraloscomandosusados: ‐Materialclavointramedular *SOLIDSECTION, ELSET=CLAVO_INTRAMEDULAR, MATERIAL=TITANIO 1.00000E+00, *MATERIAL,NAME=TITANIO *ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC 105530000000,0.35 ‐Materialtornillo1 *SOLIDSECTION, ELSET=TORNILLO_SUPERIOR1, MATERIAL=TITANIO1 1.00000E+00, *MATERIAL,NAME=TITANIO1 *ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC 105530000000,0.35
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 88 ‐Materialtornillo2 *SOLIDSECTION, ELSET=TORNILLO_SUPERIOR2, MATERIAL=TITANIO2 1.00000E+00, *MATERIAL,NAME=TITANIO2 *ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC 105530000000,0.35 ‐Materialtornillo3 *SOLIDSECTION, ELSET=TORNILLO_INFERIOR3, MATERIAL=TITANIO3 1.00000E+00, *MATERIAL,NAME=TITANIO3 *ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC 105530000000,0.3 Parasimularlasfracturasyrealizarunanálisisdelosresultados,esprecisodefinir condicionesdecontactoydeuniónentrelaspartesdelhuesofemoralimplantadoen lascondicionesdecálculodeAbaqus.Sedefineelcontactoentredossuperficies: maestrayesclava.Paracadanododelasuperficiedefinidacomoesclava,elprograma encuentraelnodomáscercanolasuperficiemaestra,demaneraquelanormalala superficiemaestrapaseporunnododelaesclava.Paraescogerquesuperficiede ambaseslaesclavaolamaestra,sedebentenerencuentaunaseriedecaracterísticas quesedescribenacontinuación: Superficiemaestra.Entrelasdossuperficiesdecontacto,debeserlamásrígida.Enel casodequeambasseanigualdedeformables,sedebeescogercomosuperficie maestraaquellaquetengalamallamásgruesa.Estasuperficieademásdebecumplir lassiguientesrestricciones: - Debeestarbasadaenelementososer“analítica”. - Debetenerpropiedadesdeorientación. - Debesercontinua. - Ensimulacionesdecontactocondeslizamiento,lasuperficiemaestradebeser suave. Superficieesclava.Eslasuperficiemenosrígida,oenelcasodetenerlamismarigidez, laquetengaunamallamásfina.Alcontrariodeloquesucedeconlasuperficie maestraenlaqueesnecesariasuorientaciónygeometría,enlasuperficieesclavasólo interesalaposicióndelosnodosyeláreadelasuperficieasociadaacadanodo.La direcciónnormalalasuperficieesclavayanoesimportante,porlotanto,una superficieesclavapuedeestardefinidaporungrupodenodos.
Clavointramedularparafracturasdefémur. © Carolina Lozano Sanz 89 Porlotanto,basándonosenladefinición,lasuperficiemaestrahadeserlamásrígida delassuperficiesencontactoydebetenerlamallamásgruesa. Acontinuación,seincluyenloscomandosquehansidonecesariosparadefinirlas condicionesdecontactoentreelfémuryelconjuntoclavo‐tornillos. ‐Unióntornillo1–fémur *SURFACE,NAME=CSURF_TOR1_FEMUR,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_TOR1_FEMUR *SURFACE,NAME=CSURF_FEMUR_TOR1,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_FEMUR_TOR1 *TIE,NAME=CONTACTOTOR1_FEMUR CSURF_FEMUR_TOR1,CSURF_TOR1_FEMUR ‐Unióntornillo2–fémur *SURFACE,NAME=CSURF_TOR2_FEMUR,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_TOR2_FEMUR *SURFACE,NAME=CSURF_FEMUR_TOR2,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_FEMUR_TOR2 *TIE,NAME=CONTACTOTOR2_FEMUR CSURF_FEMUR_TOR2,CSURF_TOR2_FEMUR ‐Unióntornillo3–fémur *SURFACE,NAME=CSURF_TOR3_FEMUR,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_TOR3_FEMUR *SURFACE,NAME=CSURF_FEMUR_TOR3,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_FEMUR_TOR3 *TIE,NAME=CONTACTOTOR3_FEMUR CSURF_FEMUR_TOR3,CSURF_TOR3_FEMUR ‐Unióntornillo1‐clavointramedular *SURFACE,NAME=CSURF_TOR1_CLAVO,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_TOR1_CLAVO *SURFACE,NAME=CSURF_CLAVO_TOR1,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_CLAVO_TOR1 *TIE,NAME=CONTACTOTOR1_CLAVO CSURF_TOR1_CLAVO,CSURF_CLAVO_TOR1 ‐Unióntornillo2‐clavointramedular *SURFACE,NAME=CSURF_TOR2_CLAVO,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_TOR2_CLAVO *SURFACE,NAME=CSURF_CLAVO_TOR2,TYPE=ELEMENT,TRIM=YES SURF_CLAVO_TOR2 *TIE,NAME=CONTACTOTOR2_CLAVO CSURF_TOR2_CLAVO,CSURF_CLAVO_TOR2