Efeito das próteses da anca no comportamento dinâmico do fémur humano

E ei o das p ó eses da anca no compo amen o dinâmico do ému humano J.F. Dias Rod igues DEMEGI. Faculdade de Engenha ia da Uni e sidade do Po o R. D . Robe o F ias, sn. 4200-465 Po o. Po ugal jd @ e.up.p R. S. Mo ei a Depa amen o de Engenha ia Mecânica. Uni e sidade de A ei o Campus San iago, 3810-193 A ei o. Po ugal mo ei [email protected] RESUMO Nes e a igo é ca ac e izada a modi icação das p op iedades dinâmicas do osso do ému in oduzida pela aplicação de p ó eses da anca. A modi icação es u u al é ca ac e izada e quan i icada pela a iação das qua o p imei as equências na u ais, iden i icadas expe imen almen e, de modelos sin é icos do osso do ému humano com e sem implan e. De modo a a alia a in luência da geome ia e ma e ial da p ó ese, são ensaiadas e compa adas di e en es con igu ações pa a o conjun o osso-p ó ese. A me odologia expe imen al aplicada no p ocesso de ca ac e ização e os esul ados ob idos são ap esen ados. INTRODUÇÃO No esquele o humano, as solici ações a que os di e sos ossos es ão subme idos podem se de na u eza dinâmica, em pa icula quando esul an es de equipamen os mecânicos. Os e ei os p o ocados pela aplicação de o ças dinâmicas na espos a es u u al óssea e na sua in eg idade dependem das equências na u ais e podem se ag a ados no caso de indi íduos po ado es de p ó eses de anca. A aplicação de p ó eses na pa e supe io do ému in oduz al e ações es u u ais signi ica i as e dependen es da o ma e do amanho da has e do implan e assim como do p óp io ma e ial. A modi icação es u u al in oduzida é, po um lado, de ida à massa adicional p opo cionada pela elação en e a massa olúmica do ma e ial do implan e e do osso esponjoso e, po ou o, à igidez mais ele ada da has e do implan e que é in oduzida na zona supe io do ému , esul ando, em consequência, uma al e ação das p op iedades dinâmicas do conjun o ému -p ó ese, em pa icula das equências na u ais e dos amo ecimen os modais. MATERIAIS E MÉTODOS Pa a a alia os e ei os des as al e ações, desen ol eu-se um es udo expe imen al compa a i o baseado em unções de espos a em equência de modelos do ému sem implan e e com di e en es con igu ações de p ó eses, analisando as al e ações in oduzidas ao ní el das equências na u ais do conjun o. Os p o e es ensaiados são modelos sin é icos do ému humano (Sawbones Eu ope®, Re . 3103) e es ão ilus ados na Figu a 1. As p ó eses aplicadas nos modelos são as indicadas na Tabela 1. Tabela 1 – P ó eses da anca aplicados nos modelos de ému P o e e P ó ese Ma e ial Massa Modelo 1 - - - - - - Modelo 2 Modelo 3 Modelo 4 Modelo 5 Modelo 6 Figu a 1 – P o e es expe imen ais. A a aliação das p op iedades dinâmicas assen a na de e minação expe imen al das equências na u ais na gama de equências [0; 1.6] kHz a a és da medição de unções de espos a em equência de ipo acele ância. Pa a simula condições de on ei a li e-li e, os modelos de ému são suspensos de um pó ico ígido po dois inos ios inelás icos de nylon que pe mi em o mo imen o de co po ígido na di ecção da medição. As secções de ama ação dos ios aos modelos são ap oximadamen e as secções nodais das duas p imei as o mas na u ais de ib ação. Pa a a exci ação dos modelos é aplicada uma ca ga dinâmica alea ó ia com con eúdo espec al na banda [0; 1.6] kHz a a és de um exci ado elec omagné ico LDS V200 alimen ado pelo ampli icado LDS PA25E que ecebe o sinal do ge ado B&K??. A aplicação da o ça aos modelos é ealizada a a és de uma has e me álica lexí el. A o ça dinâmica aplicada e a espec i a espos a em acele ação são medidas po uma cabeça de impedância piezoeléc ica B üel&Kjæ 8001. Com os sinais da exci ação e da espos a, depois de p é-condicionados, é de e minada uma unção de espos a em equência di ec a e a espec i a unção coe ência u ilizando o analisado dinâmico de sinal B üel&Kjæ 2035. A mon agem expe imen al es á ilus ada na Figu a 2. Pa a cada modelo, a exci ação é aplicada na cabeça do ému segundo duas di ecções pe pendicula es, medindo-se assim duas unções de espos a em equência di ec as, espec i amen e nos planos Oxy (la e al-medial) e Oxz. Na Figu a 3 es ão ep esen adas as unções de espos a em equência de ipo acele ância medidas pa a cada modelo ensaiado e sob a o ma de magni ude e ase. x y z O Figu a 2 – Mon agem expe imen al. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Hz 0 π -π Fase 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Mag (Acele ância) em_00 di 1 di 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Hz 0 π -π Fase 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Mag (Acele ância) em_01 di 1 di 2 Modelo 1 Modelo 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Hz 0 π -π Fase 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Mag (Acele ância) em_02 di 1 di 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Hz 0 π -π Fase 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Mag (Acele ância) em_03 di 1 di 2 Modelo 3 Modelo 4 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Hz 0 π -π Fase 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Mag (Acele ância) em_04 di 1 di 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Hz 0 π -π Fase 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Mag (Acele ância) em_05 di 1 di 2 Modelo 5 Modelo 6 Figu a 3 – Funções de espos a em equência di ec as medidas nos seis p o e es expe imen ais. RESULTADOS E DISCUSSÃO Da análise das unções de espos a em equência di ec as oi possí el iden i ica as equências na u ais (Tabela 2) ela i as ao p imei o modo de lexão no plano Oyz ( 1 ), ao p imei o modo de lexão no plano Oxy ( 2 ), ao p imei o modo de o ção ( 3 ) e ao segundo modo de lexão no plano Oxy ( 4 ). Como se pode cons a a , os ému es com implan e ap esen am al e ações es u u ais que se mani es am em equências na u ais dis in as en e si e das do ému de e e ência. As equências na u ais do ému sem implan e ap esen am alo es p óximos de um modelo idên ico analisado em [5-6]. Tabela 2 – F equências na u ais dos modos de lexão dos p o e es P o e e 1 [Hz] 2 [Hz] 3 [Hz] 4 [Hz] Modelo 1 318 344 618 846 Modelo 2 280 300 546 726 Modelo 3 294 326 626 876 Modelo 4 274 298 582 822 Modelo 5 284 300 578 798 Modelo 6 280 312 646 878 Na Figu a 4 ep esen a-se o des io ela i o en e as equências na u ais iden i icadas nos modelos com p ó ese ela i amen e ao modelo 1 que ep esen a o ému sem p ó ese. As modi icações in oduzidas pelos implan es nas equências na u ais são, po um lado, de idas ao aumen o de massa, p incipalmen e na zona da cabeça do ému , e, po ou o, de idas ao aumen o de igidez p opo cionado p incipalmen e pela has e da p ó ese. Os alo es das duas p imei as equências na u ais dos ému es com implan e si uam-se nas bandas de alo es [274-294] Hz e [298-326] Hz espec i amen e, in e io es em ambos os casos aos espec i os alo es das equências na u ais do modelo sem p ó ese. Pa a es es dois modos, modos de lexão, os modelos com p ó ese ap esen am, pois, uma igidez dinâmica in e io , sendo o aumen o de massa p edominan e sob e o aumen o de igidez. -11.9 -12.8 -11.7 -14.2 -7.5 -5.2 1.3 3.5 -13.8 -13.4 -5.8 -2.8 -10.7 -12.8 -6.5 -5.7 -11.9 -9.3 4.5 3.8 -20 -15 -10 -5 0 5 10 1 2 3 4 E o ela i o [%] modelo 2 modelo 3 modelo 4 modelo 5 modelo 6 Figu a 4 – Des io ela i o das equências na u ais ela i amen e ao modelo 1 Pa a os e cei o e qua o modos, o ção e lexão, os modelos 2, 4 e 5 ap esen am alo es in e io es enquan o que os modelos 3 e 6 ap esen am alo es supe io es, e i icando-se que no p imei o caso o aumen o de massa não é acompanhado do co esponden e aumen o de igidez e a si uação in e sa no segundo caso. Enquan o que a al e ação de igidez é e idenciada sob e udo nos p imei os modos na u ais de lexão (F1 e F2) a massa adicional, p incipalmen e a massa co esponden e à ex emidade expos a da p ó ese (cabeça), ap esen a um e ei o mais no ó io nos modos de lexão de 2º g au e no modo de o ção. CONCLUSÕES O es udo ealizado pe mi e cons a a que a aplicação de um implan e al e a as equências na u ais do ému e, em consequência, da es u u a óssea cujas ca ac e ís icas de espos a dinâmica são al e adas. No en an o, e de uma o ma global, as di e en es combinações de geome ia e ma e ial da p ó ese conduzem a esul ados ela i amen e p óximos dos obse ados no ému sem p ó ese. O es udo e ela, ainda, que a p ó ese aplicada no modelo 3 é aquela que mais se ap oxima do ému de e e ência em e mos de equências na u ais p esen es na banda analisada e a p ó ese aplicada no modelo 2 é aquela que mais se a as a. Assim, pode igualmen e conclui -se que a geome ia e os ma e iais podem se escolhidos de o ma a minimiza as al e ações es u u ais do conjun o ému -p ó ese. REFERÊNCIAS [1] Simões, J.A., Vaz, M.A., Taylo , M., 2001. In luence o head cons ain and muscle o ces on he s ain dis ibu ion wi hin he in ac emu . Medical Enginee ing Physics 22(7), 453-459. [2] Simões, J.A., Ma ques, A.T., 2004. Es udo y desa ollo de una p ó esis emo al de igidez es uc u al g aduae. In: Mülle -Ka ge , M., Ce olaza, M. (Eds.), Bioingenie ía en Ibe oamé ica: A ances y Desa ollo. Cen o In e nacional de Mé odos Numé icos en Ingenie ía (CIMNE), Ba celona, pp. 451-476. [3] Simões, J.A., 1999. Es udo da componen e emo al da p ó ese de anca de igidez con olada. Tese Dou o amen o, Depa amen o de Engenha ia Mecânica e Ges ão Indus ial, Faculdade de Engenha ia da Uni e sidade do Po o, Po o. [4] Ca alho, L., Ramos, A., Simões, J.A., 2003. Fini e elemen analysis o a den al implan sys em wi h an elas ome ic s ess ba ie . 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