Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis
Abstract
Programa de doctorado: Tecnología Industrial (Bienio 1996-1998)
Full text
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Programa de Doctorado Tecnología Industrial TESIS DOCTORAL ______________ ANÁLISIS DEL ÉXITO MECÁNICO DE UNA PLACA DE OSTEOSÍNTESIS POR CONTENCIÓN EN FUNCIÓN DE LA INCIDENCIA DE LA OSTEOPOROSIS Autor: José Manuel Quintana Santana Las Palmas de Gran Canaria, Noviembre de 2015
U NIVERSIDAD DE L AS P ALMAS DE G RAN C ANARIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Programa de Doctorado Tecnología Industrial Bienio 1996-1998 TESIS DOCTORAL ______________ A NÁLISIS DEL ÉXITO MECÁNICO DE UNA PLACA DE OSTEOSÍNTESIS POR CONTENCIÓN EN FUNCIÓN DE LA INCIDENCIA DE LA OSTEOPOROSIS Memoria presentada, en cumplimiento de los requisitos para optar al grado de DOCTOR, por el Ingeniero Industrial D. José Manuel Quintana Santana Directores: Oscar Martel Fuentes José Antonio Carta González Los Directores El Doctorando Las Palmas de Gran Canaria, Noviembre de 2015
A MIS HIJOS MARÍA DAVINIA JESÚS El tiempo es muy lento para los que esperan, muy rápido para los que tienen miedo, muy largo para los que se lamentan, muy corto para los que festejan. Pero, para los que aman, el tiempo es eternidad. (William Shakespeare)
AGRADECIMIENTOS Quiero expresar mi agradecimiento a todas aquellas personas que de alguna forma han contribuido a la realización de esta tesis: A mis directores de tesis José Antonio Carta y Oscar Martel por su apoyo perseverante. En especial a Oscar por su paciencia e insistencia. A mis amigos y excompañeros Luis Delgado y Miguel Socorro por su apoyo incondicional. A mi compañero fallecido Domingo Herrera pro su amistad, integridad e imprescindible asistencia técnica. A mis compañeros Mario Monzón y Pedro Hernandez por la elaboración de aquellas piezas que aun siendo singulares han resuelto sin problema. A mi compañero y amigo Alejandro Yánez por sus aportaciones y ayuda. A mi compañero y amigo Ricardo Ibañez por sus aportaciones e ideas en los montajes de laboratorio y resolución de imprevistos. A mis compañeros Juan Francisco Santana, Alberto Cuadrado, Jorge Marrero, Julia Mirza y Pedro Socorro por el apoyo del día a día. A las becarias colaboradoras Cistina Medina y Patricia Padrón que han sido de gran ayuda a la preparación de los ensayos de laboratorio. Al Instituto Tecnológico de Canarias, en particular a Hernando, por facilitarme todos los datos e información necesarios que les requerí. A mi amigo Basilio Martel por su magnífica colaboración en la edición de este documento. A todos aquellos que una u otra forma han colaborado y que no he nombrado, gracias. Y por último, y por ser más importante, a mi familia por la paciencia y el apoyo incondicional, ¡GRACIAS!
I ÍNDICE GENERAL 1INTRODUCCIÓN, OBJETIVOS Y ALCANCE 1 1.1INTRODUCCIÓN 1 1.1.1CASUÍSTICA DEL TRABAJO 2 1.1.2LAS MALLAS METÁLICAS QUIRÚRGICAS Y LA RK-PLATE 3 1.2OBJETIVOS 4 1.3METODOLOGÍA DE TRABAJO 5 1.4CONTENIDO DEL TRABAJO 6 2LA RODILLA 7 2.1INTRODUCCIÓN 7 2.2DESCRIPCIÓN ANATÓMICA 8 2.2.1HUESOS DE LA RODILLA 9 2.2.1.1La tibia 9 2.2.2SUPERFICIES ARTICULARES 11 2.2.3PARTES BLANDAS 12 2.2.3.1Meniscos 13 2.2.3.2Ligamentos 14 2.2.3.3Músculos 17 2.3BIOMECÁNICA DE LA RODILLA 20 2.3.1EJES DE LA RODILLA 21 2.3.2ARQUITECTURA ÓSEA 22 2.3.2.1Conformación de la tibia 23 2.3.3MOVIMIENTOS DE LA RODILLA 23 2.3.3.1Flexo-extensión 25 2.3.3.1.1Factores limitantes 26 2.3.3.2Rotación 26 2.3.3.2.1Factores limitantes 27
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis VIII
Índices IX ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA2.1ANATOMÍADELARODILLA...................................................................................................................................................9 FIGURA2.2TIBIADERECHA.VISTASANTERIORYPOSTERIOR.....................................................................................................................11 FIGURA2.3TIBIAPROXIMALYSUPERFICIESARTICULARES.........................................................................................................................12 FIGURA2.4MENISCOSDELARODILLA..................................................................................................................................................14 FIGURA2.5LIGAMENTOSPRINCIPALESDELARODILLA.............................................................................................................................15 FIGURA2.6MÚSCULOSDELAEXTREMIDADINFERIOR..............................................................................................................................17 FIGURA2.7EJESYGRADOSDELIBERTADDELARODILLADERECHA..............................................................................................................23 FIGURA2.8MOVIMIENTOSDELARODILLA............................................................................................................................................24 FIGURA2.9CICLONORMALDELAMARCHAHUMANA..............................................................................................................................31 FIGURA2.10FASESDELAMARCHAHUMANANORMAL............................................................................................................................33 FIGURA2.11FUERZASOBRELARODILLA...............................................................................................................................................35 FIGURA4.1CÉLULASÓSEAS................................................................................................................................................................46 FIGURA4.2ESTRUCTURAMACROSCÓPICADELHUESO.............................................................................................................................50 FIGURA4.3ESTRUCTURADELHUESOCORTICAL......................................................................................................................................50 FIGURA4.4ESTRUCTURADELHUESOTRABECULAR..................................................................................................................................52 FIGURA4.5TIPOSDEHUESOSHUMANOSSEGÚNSUFORMA.....................................................................................................................55 FIGURA4.6FASESDELAREMODELACIÓNÓSEA(COMPSTON2001).......................................................................................................56 FIGURA4.7HUESOSANOALAIZQUIERDAYHUESOOSTEOPORÓTICOALADERECHA......................................................................................58 FIGURA4.8GRÁFICADEDIAGNÓSTICOENFUNCIÓNDELAMASAÓSEA........................................................................................................60 FIGURA5.1TIBIASAWBONES.............................................................................................................................................................73 FIGURA5.2TIBIA‐#3401‐TAMAÑOMEDIOIZQUIERDA.........................................................................................................................74 FIGURA5.3LÁMINADERESINAEPÓXICAREFORZADACONFIBRACORTADEVIDRIO........................................................................................75 FIGURA5.4LÁMINADEESPUMASÓLIDARÍGIDADEPOLIURETANO..............................................................................................................76 FIGURA5.5BLOQUEDEESPUMACELULAR.............................................................................................................................................77 FIGURA5.6BLOQUELAMINADO..........................................................................................................................................................78 FIGURA5.7RK‐PLATE.IDENTIFICACIÓNDELASPARTES............................................................................................................................81 FIGURA5.8RK‐PLATE.......................................................................................................................................................................82 FIGURA5.9TÉCNICAQUIRÚRGICA.......................................................................................................................................................82 FIGURA5.10ORIENTACIÓNDELOSTALADROSDELABASEDELARK‐PLATE.................................................................................................85 FIGURA5.11DEFECTOÓSEO..............................................................................................................................................................85 FIGURA5.12TIBIA.AUMENTOCANALMEDULAR....................................................................................................................................86 FIGURA5.13TIBIAPREPARADAPARAENSAYO........................................................................................................................................87 FIGURA5.14PRÓTESISDERODILLA......................................................................................................................................................87 FIGURA5.15ESPÉCIMENCOMPLETOPREPARADOPARAENSAYAR..............................................................................................................88
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis X FIGURA5.16RK‐PLATE.IDENTIFICACIÓNDETALADROS...........................................................................................................................89 FIGURA5.17TIBIACOMPLETAPREPARADAPARAENSAYO.........................................................................................................................89 FIGURA5.18MORDAZAPARAENSAYODETIBIA......................................................................................................................................90 FIGURA5.19CONOCENTRADOR.........................................................................................................................................................91 FIGURA5.20CAZOLETACONLOSTORNILLOSDEFIJACIÓN.........................................................................................................................91 FIGURA5.21TALADROPARACENTRADORYTORNILLOSDEFIJACIÓN...........................................................................................................92 FIGURA5.22CAZOLETACONCENTRADORCOLOCADO..............................................................................................................................92 FIGURA5.23TIBIAMONTADAENMORDAZA..........................................................................................................................................93 FIGURA5.24TIBIAMONTADAENMÁQUINA..........................................................................................................................................94 FIGURA5.25DISPOSITIVOTIRADOR‐EMPUJADOR...................................................................................................................................96 FIGURA5.26RK‐PLATECONTIRADORINCORPORADO.............................................................................................................................97 FIGURA5.27RK‐PLATECONEMPUJADORINCORPORADO.........................................................................................................................98 FIGURA5.28CÉLULADECARGAEXTERNAMONTADASOBREBASTIDOR........................................................................................................99 FIGURA5.29INDICADORMITUTOYODIGIMATICABSOLUTE(INDICADORMDA)..........................................................................................99 FIGURA5.30MONTAJERK‐PLATECONINDICADORMDAPARAMEDIDAENB14.......................................................................................101 FIGURA5.31RK‐PLATEPREPARADACONELTORNILLOEMPUJADORENLAALETAPROXIMAL..........................................................................102 FIGURA5.32RK‐PLATEPREPARADACONELTORNILLOEMPUJADORENLAALETADISTAL...............................................................................102 FIGURA5.33MORDAZAPARABLOQUES.............................................................................................................................................108 FIGURA5.34DETALLEDEMONTAJEENLAMORDAZAPARABLOQUES........................................................................................................108 FIGURA5.35MONTAJEDEBLOQUE...................................................................................................................................................109 FIGURA5.36BLOQUEMONTADOENMÁQUINA....................................................................................................................................109 FIGURA5.37UBICACIÓNYORDENDEENSAYOSENCADABLOQUE............................................................................................................110 FIGURA5.38TALADRODECOLUMNACONMESAENPOSICIÓNPARATALADRADODEBLOQUES.......................................................................111 FIGURA5.39ORIENTACIÓNDELAMESADELTALADRO...........................................................................................................................111 FIGURA5.40TENSACABLESSYNTHES.................................................................................................................................................112 FIGURA5.41INCLINÓMETRO.MEDICIÓNDEÁNGULOENTIBIA................................................................................................................114 FIGURA5.42INCLINÓMETRO.MEDICIÓNDEÁNGULOENELBLOQUE........................................................................................................114 FIGURA5.43MONTAJEYORIENTACIÓNDELACÉLULADECARGAEXTERNA.................................................................................................115 FIGURA5.44MONTAJEDELBLOQUEDISPUESTOPARAENSAYAR..............................................................................................................115 FIGURA5.45MÁQUINAUNIVERSALMICROTESTEFH/5/FR..................................................................................................................118 FIGURA5.46MEDIDORDEPARLORENZ..............................................................................................................................................120 FIGURA5.47DESTORNILLADORRS‐609‐354....................................................................................................................................121 FIGURA5.48DESTORNILLADORRS‐547‐379....................................................................................................................................121 FIGURA5.49CÉLULADECARGAUTILCELL200‐S.................................................................................................................................122 FIGURA6.1COMPORTAMIENTOESTÁTICODELSISTEMATIBIA‐RK‐PLATE.................................................................................................137 FIGURA6.2RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZDELSISTEMA.................................................................................139 FIGURA6.3MEDIA,MÁXIMOYMÍNIMODELAVARIACIÓNDELARIGIDEZDELSISTEMA(%)FRENTEALNÚMERODECICLOS..................................140
Índices XI FIGURA6.4RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZINICIALDELSISTEMA.......................................................................142 FIGURA6.5RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZDELCONJUNTO.............................................................................144 FIGURA6.6RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZDELCONJUNTO.............................................................................145 FIGURA6.7RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZDELCONJUNTO.............................................................................146 FIGURA6.8RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZDELCONJUNTO.............................................................................149 FIGURA6.9MEDIA,MÁXIMOYMÍNIMODELAVARIACIÓNDELARIGIDEZDELSISTEMA(%)FRENTEALNÚMERODECICLOS..................................151 FIGURA6.10RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZDELCONJUNTO...........................................................................153 FIGURA6.11MEDIA,MÁXIMOYMÍNIMODELAVARIACIÓNDELARIGIDEZDELCONJUNTO(%)FRENTEALNÚMERODECICLOS............................154 FIGURA6.12RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZINICIALDELCONJUNTO.................................................................157 FIGURA6.13MEDIA,MÁXIMOYMÍNIMODELAVARIACIÓNDELARIGIDEZDELCONJUNTO(%)FRENTEALNÚMERODECICLOS............................159 FIGURA6.14RELACIÓNDELOSPARESDEREMOCIÓNFRENTEALARIGIDEZINICIALDELSISTEMA.....................................................................161 FIGURA6.15MEDIA,MÁXIMOYMÍNIMODELAVARIACIÓNDELARIGIDEZDELCONJUNTO(%)FRENTEALNÚMERODECICLOS,SW‐B201∙ALETA....163 FIGURA6.16RIGIDEZDELARK‐PLATELIBREDELTIRADOR‐EMPUJADOR..................................................................................................177 FIGURA6.17RIGIDEZAPARENTEDELARK‐PLATECONELEMPUJADORINCORPORADO.................................................................................179 FIGURA6.18RIGIDEZAPARENTEDELARK‐PLATECONELTIRADORINCORPORADO......................................................................................180 FIGURA6.19RELACIÓNENTRELACARGAQYLAFUERZASOPORTADAPORELTORNILLODELAALETAPROXIMAL................................................182 FIGURA6.20RELACIÓNENTRELACARGAQYLAFUERZASOPORTADAPORELTORNILLODELAALETADISTAL.....................................................183 FIGURA6.21RELACIÓNENTRELACARGAQYELEMPUJEESOPORTADOPORLARK‐PLATE...........................................................................185 FIGURA6.22COMPARATIVAENTRELARELACIÓNDESPLAZAMIENTO‐MOVIMIENTOCONLOSTRESTENSADOSDELCERCLAJE................................187
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis XII
Índices XIII ÍNDICE DE TABLAS TABLA3.1FALLOSCAUSANTESDELAREVISIÓNPROTÉSICA........................................................................................................................39 TABLA3.2TIPOSDEDEFECTOSÓSEOSENLATIBIADELANDERSONORTHOPAEDICRESEARCHINSTITUTE............................................................44 TABLA3.3DIRECTRICESPARALACLASIFICACIÓNYELTRATAMIENTODELOSDEFECTOSÓSEOSDELATIBIA..........................................................44 TABLA4.1MATRICESÓSEASDESMINERALIZADASMÁSUTILIZADAS.............................................................................................................64 TABLA4.2CLASIFICACIÓNDEDEFECTOSÓSEOSENLAARTROPLASTIATOTALDERODILLA.................................................................................67 TABLA5.1CARACTERÍSTICASCORTICALES.TIBIASAWBONES4ªGENERACIÓN...............................................................................................74 TABLA5.2CARACTERÍSTICASTRABECULARES.TIBIASAWBONES4ªGENERACIÓN...........................................................................................74 TABLA5.3CARACTERÍSTICASCORTICALESDELASLÁMINASSAWBONES.......................................................................................................76 TABLA5.4CARACTERÍSTICASTRABECULARESDELOSBLOQUESAWBONES....................................................................................................77 TABLA5.5COMBINACIONESCORTICAL‐TRABECULARUTILIZADAS..............................................................................................................78 TABLA5.6CARGASPARALOSENSAYOSENBLOQUES.............................................................................................................................107 TABLA5.7VALORESCRÍTICOSPARADISTRIBUCIÓNNORMALENLAPRUEBADEANDERSON‐DARLING...............................................................125 TABLA6.1ENSAYOESTÁTICOSOBRELATIBIAYPARESDEREMOCIÓN........................................................................................................138 TABLA6.2ENSAYOAFATIGASOBRELATIBIA.VARIACIÓNDELARIGIDEZENFUNCIÓNDELCICLAJE..................................................................139 TABLA6.3ANOVADEENSAYOAFATIGAENTIBIA................................................................................................................................140 TABLA6.4PRUEBADELEVENEPARAENSAYOAFATIGAENLATIBIA.DISTANCIASCONRESPECTOALAMEDIA....................................................141 TABLA6.5COMPROBACIÓNDELAHOMOCEDASTICIDADSEGÚNLEVENE.ENSAYOAFATIGAENLATIBIA...........................................................141 TABLA6.6ENSAYOAFATIGADELATIBIA.PARESDEREMOCIÓNYRIGIDEZINICIAL.......................................................................................141 TABLA6.7ENSAYOESTÁTICOSOBREELBLOQUESW329‐B112...............................................................................................................143 TABLA6.8ENSAYOESTÁTICOSOBREELBLOQUESW330‐B113...............................................................................................................145 TABLA6.9ENSAYOESTÁTICOSOBREELBLOQUESW330‐B113...............................................................................................................146 TABLA6.10ENSAYOESTÁTICOSOBREELBLOQUESW‐B201...................................................................................................................148 TABLA6.11ENSAYOAFATIGASOBREELBLOQUESW329‐B112.VARIACIÓNDELARIGIDEZENFUNCIÓNDELCICLAJE........................................150 TABLA6.12ANOVADELENSAYOAFATIGAENELBLOQUESW329‐B112.................................................................................................151 TABLA6.13PRUEBADELEVENEPARAENSAYOAFATIGAENELBLOQUESW329‐B112.................................................................................152 TABLA6.14COMPROBACIÓNDELAHOMOCEDASTICIDADSEGÚNLEVENE..................................................................................................152 TABLA6.15ENSAYOAFATIGAENELBLOQUESW329‐B112.PARESDEREMOCIÓNYRIGIDEZINICIAL.............................................................153 TABLA6.16ENSAYOAFATIGASOBREELBLOQUESW330‐B113.VARIACIÓNDELARIGIDEZENFUNCIÓNDELCICLAJE........................................154 TABLA6.17ANOVADEENSAYOAFATIGAENELBLOQUESW330‐B113..................................................................................................155 TABLA6.18PRUEBADELEVENEPARAENSAYOAFATIGAENELBLOQUESW330‐B‐B113..............................................................................155 TABLA6.19COMPROBACIÓNDELAHOMOCEDASTICIDADSEGÚNLEVENE..................................................................................................156 TABLA6.20ENSAYOAFATIGAENELBLOQUESW330‐B113.PARESDEREMOCIÓNYRIGIDEZINICIAL.............................................................156 TABLA6.21ENSAYOAFATIGASOBREELBLOQUESW‐B201.VARIACIÓNDELARIGIDEZENFUNCIÓNDELCICLAJE..............................................158
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis XIV TABLA6.22ANOVADEENSAYOAFATIGAENELBLOQUESW‐B201........................................................................................................159 TABLA6.23COMPARATIVADETUKEYPARALAVARIACIÓNDERIGIDEZENELENSAYOAFATIGADELBLOQUESW‐B201.......................................160 TABLA6.24PRUEVADELEVENEPARAENSAYOAFATIGADELBLOQUESW‐B201.DISTANCIASRESPECTOALAMEDIA.........................................160 TABLA6.25COMPROBACIÓNDELAHOMOCEDASTICIDADSEGÚNLEVENE..................................................................................................160 TABLA6.26ENSAYOAFATIGADELATIBIA.PARESDEREMOCIÓNYRIGIDEZINICIAL......................................................................................161 TABLA6.27ENSAYOAFATIGAENLAALETAPROXIMALSOBREBLOQUESW‐B201........................................................................................162 TABLA6.28ANOVADEENSAYOAFATIGAENLAALETAPROXIMALSOBREBLOQUESW‐B201.......................................................................163 TABLA6.29COMPARATIVADETUKEYPARALAVARIACIÓNDERIGIDEZENELENSAYOAFATIGAENLAALETAPROXIMALSOBREBLOQUESW‐B201....164 TABLA6.30PRUEBADELEVENEPARAENSAYOAFATIGAENLAALETAPROXIMALSOBREBLOQUESW‐B201......................................................164 TABLA6.31COMPROBACIÓNDELAHOMOCEDASTICIDADSEGÚNLEVENE..................................................................................................165 TABLA6.32PRUEBADEBROWN‐FORSYTHEPARAENSAYOAFATIGAENLAALETAPROXIMALSOBREBLOQUESW‐201........................................165 TABLA6.33COMPROBACIÓNDELAHOMOCEDASTICIDADSEGÚNBROWN‐FORSYTHE..................................................................................165 TABLA6.34NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESDELENSAYO.................................................................................................................167 TABLA6.35NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESDELENSAYO.................................................................................................................168 TABLA6.36NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESDELENSAYO.................................................................................................................169 TABLA6.37NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESDELENSAYO.................................................................................................................169 TABLA6.38NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESDELENSAYO.................................................................................................................170 TABLA6.39NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESPARALACOMPARACIÓNDECERCLAJES...............................................................................171 TABLA6.40NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESPARAENSAYOSENTIBIA..................................................................................................172 TABLA6.41NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESPARAENSAYOENELBLOQUESW329‐B112........................................................................174 TABLA6.42NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESPARAENSAYOENELBLOQUESW330‐B113........................................................................175 TABLA6.43NÚMEROMÍNIMODEREPETICIONESPARAENSAYOENELBLOQUESW‐B201..............................................................................175 TABLA6.44RIGIDEZAPARENTEDELARK‐PLATELIBREDELTIRADOR‐EMPUJADOR.....................................................................................177 TABLA6.45RIGIDEZAPARENTEDELARK‐PLATECONELEMPUJADORINCORPORADO..................................................................................178 TABLA6.46RIGIDEZAPARENTEDELARK‐PLATECONELTIRADORINCORPORADO.......................................................................................180 TABLA6.47RELACIÓNCARGAQFUERZAENELTORNILLODELAALETAPROXIMAL.......................................................................................181 TABLA6.48RELACIÓNCARGAQFUERZAENELTORNILLODELAALETADISTAL............................................................................................183 TABLA6.49RELACIÓNCARGAQCONELEMPUJEE.RIGIDECES................................................................................................................184 TABLA6.50COMPARATIVADEMOVIMIENTO‐DESPLAZAMIENTOCONELTENSADODECERCLAJES..................................................................186 TABLA7.1COMPARATIVADERIGIDECESAPARENTESDELARK‐PLATECONDISTINTASCONFIGURACIONES........................................................191 TABLA7.2COMPORTAMIENTODELARK‐PLATE...................................................................................................................................198
Índices XV ÍNDICE DE ECUACIONES ECUACIÓN5.1FUERZASOBREELTORNILLOENENSAYO..........................................................................................................................103 ECUACIÓN5.2NÚMEROMÍNIMODEENSAYOS.....................................................................................................................................116 ECUACIÓN6.1ERRORPORDISCREPANCIAANGULAR..............................................................................................................................176
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis XVI
Índices XVII ABREVIATURAS ANOVA ANalysis Of VAriance Análisis de la varianza DBM Demineralized bone matrix Matriz ósea desmineralizada DFDBA Demineralized freeze-dried bone allograft Aloinjerto óseo desmineralizado liofilizado DIM Departamento de Ingeniería Mecánica EXT Extensión FDBA Freeze dried bone alograft Aloinjerto óseo seco congelado FLEX Flexión HDS de Tukey Honestly Significant Difference (Tukey´s HDS) Prueba de comparaciones múltiples de Tukey Indicador MDA Indicador Mitutoyo Digimatic Absolute ITC Instituto Tecnológico de Canarias LCAE Ligamento cruzado anteriorexterno LCPI Ligamento cruzado posterior interno LLE Ligamento lateral externo LLI Ligamento lateral interno RE Rotación externa RI Rotación interna RK-Plate Placa para la reprótesis de rodilla ULPGC Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 6 1.4 Contenidodeltrabajo En el capítulo 2 se describen algunas generalidades sobre la memoria médica respecto a la estructura ósea de la rodilla, su cinemática y cinética con el propósito de presentar una serie de conceptos básicos necesarios para el desarrollo del trabajo. En el capítulo 3 se exponen las causas principales de revisión de la artroplastia total de rodilla. Se especifican aquellas que generan osteopenia y se apuntan algunas de las clasificaciones de los defectos óseos. En el capítulo 4 se describe someramente la estructura del hueso, la osteoporosis y los injertos óseos. De estos últimos solo se detallan aquellos susceptibles de utilizarse con la RK-Plate. En el capítulo 5 se indican los materiales y métodos utilizados, así como el plan de experimentación diseñado y ejecutado. También se explican los métodos estadísticos de gestión y análisis de los resultados. En el capítulo 6 haciendo uso de los métodos matemáticos y estadísticos se presentan los resultados obtenidos en los ensayos. En el capítulo 7 se discuten los resultados y se plantean las conclusiones a las que se llega mediante el desarrollo de este trabajo, así como posibles líneas de trabajo futuras. Finalmente se añaden las referencias bibliográficas.
7 CAPÍTULO 2 2 La rodilla 2.1 Introducción La rodilla es la articulación más grande del esqueleto humano; en ella se unen 3 huesos: el extremo distal del fémur, el extremo proximal de la tibia y la rótula. Constituye una articulación de suma importancia para la marcha y la carrera, que soporta todo el peso del cuerpo en el despegue y la recepción de saltos. Su biomecánica articular resulta muy compleja, pues por un lado ha de poseer una gran estabilidad en extensión completa para soportar el peso corporal sobre un área relativamente pequeña; pero al mismo tiempo debe estar dotada de la movilidad necesaria para la marcha y la carrera y para orientar eficazmente al pie en relación con las irregularidades del terreno y los cambios de dirección de la marcha. La rodilla es uno de los elementos del cuerpo humano más complejo por la conformación de su constitución debido al diseño de la misma, llena de ligamentos
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 8 que la cruzan, cada uno de los cuales aporta algo diferente a esta estructura. Es la articulación intermedia del miembro inferior. Está dotada fundamentalmente de un solo grado de libertad de movimiento, la flexión-extensión, que le permite acercar o alejar, más o menos, el extremo del miembro a su raíz o, lo que es lo mismo, regular la distancia que separa el cuerpo del suelo. En esencia, la rodilla trabaja a compresión por el peso que soporta. De manera accesoria, la articulación de la rodilla posee un segundo grado de libertad: la rotación sobre el eje longitudinal de la pierna, que solo aparece cuando la rodilla está en flexión. Adicionalmente dispone de un reducido tercer grado de libertad en giro en el plano coronal, la aducción, y otro cuarto grado de libertad en deslizamiento en el plano sagital. Considerado desde el punto de vista mecánico, la articulación de la rodilla constituye un caso peculiar ya que debe conciliar dos necesidades contradictorias: Poseer una gran estabilidad en extensión completa, posición en la que la rodilla soporta presiones importantes debidas al peso del cuerpo y a la longitud de los brazos de palanca. Alcanza una gran movilidad a partir de cierto ángulo de flexión, movilidad necesaria en la marcha, carrera y salto para la orientación óptima del pie en relación con las irregularidades del terreno y los cambios de dirección del movimiento del cuerpo. La rodilla resuelve estas contradicciones gracias a elementos mecánicos sumamente ingeniosos. Sin embargo, la debilidad del ensamble entre las superficies, condición necesaria para una buena movilidad, expone esta articulación a los esguinces y a las luxaciones. 2.2 Descripciónanatómica La rodilla es una articulación sinovial o diartrosis trocleartrosis compuesta que incluye dos articulaciones funcionales: la articulacion femorotibial que conecta el fémur y la tibia en una articulación anatómicamente bicondilea (funcionalmente troclear) y la
Capítulo 2: La rodilla 9 articulación femoropatelar que conecta el fémur y la rótula en una articulación troclear (Figura 2.1). Figura 2.1 Anatomía de la rodilla 2.2.1 Huesosdelarodilla En la rodilla se unen 3 huesos (Figura 2.1): El fémur por su extremo distal. La tibia por su extremo proximal. La rótula. 2.2.1.1 Latibia Hueso largo y par, junto con el peroné forma el esqueleto de la pierna, aunque es el más robusto de los dos, el que soporta el peso corporal y transmite las líneas de fuerza desde la rodilla al tobillo (Figura 2.2). Cuerpo – Diáfisis Tiene forma triangular con tres caras (medial, lateral y posterior) y tres bordes (anterior, medial y lateral). El borde anterior se bifurca por arriba y por abajo. En la cara posterior destaca la línea oblicua del sóleo, donde se origina este músculo, y debajo de ella el orificio nutricio.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 10 Extremo Superior – Epífisis proximal Masa maciza de corte cuadrangular con forma de tronco de pirámide invertida y en la que se distinguen dos cóndilos o tubérculos: lateral y medial. La cara superior corresponde a la base de la pirámide y se llama plataforma o meseta de la tibia. En ella encontramos dos superficies ovaladas en forma de carril hueco, los platillos tibiales o cavidades glenoideas, destinados a alojar los cóndilos femorales. La interna es más alargada en el eje anteroposterior mientras que la externa lo es en el lateromedial. Los platillos son cóncavos transversalmente. De delante atrás el interno es cóncavo mientras que el externo es convexo. Esto tendrá que ver con las rotaciones automáticas de la rodilla como veremos más adelante. Los bordes de los platillos se elevan en el centro de la plataforma formando las espinas tibiales o eminencia intercondílea. Delante y detrás de ésta eminencia se encuentran dos superficies huecas no articulares: las superficies pre y retroespinal en las que se originan los ligamentos cruzados de la rodilla. Los tubérculos tibiales sirven de puntos de anclaje de los haces longitudinales del ligamentos rotuliano provenientes de los vastos. En la cara externa del cóndilo lateral hay una carilla articular para el peroné. En la anteroexterna de la meseta tibial encontramos una prominencia llamada tubérculo de Gerdy (inserción del tensor del tracto ileotibial) y otra mayor en la cara anterior, tuberosidad anterior de la tibia (inserción del tendón rotuliano), unidas por una pequeña cresta (cresta tibial). En la parte anterointerna del tubérculo medial se halla una zona rugosa denominada pata de ganso en la que se insertan los músculos sartorio, recto interno y semitendinoso, así como el ligamento lateral interno de la rodilla. Extremo Inferior – Epífisis distal Es macizo y constituye el pilón tibial. Se prolonga hacia el interior por el maléolo tibial y hacia atrás por el maléolo posterior, menos marcado.
Capítulo 2: La rodilla 11 Figura 2.2 Tibia derecha. Vistas anterior y posterior 2.2.2 Superficiesarticulares Por parte del Fémur: Troclea femoral, en la parte anterior de la epífisis distal. Se articula con la rótula. Superficie inferointerna y posterior de los cóndilos. Se articulan con la tibia. Por parte de la Tibia: Platillos tibiales. Se articulan con los cóndilos femorales. Por parte de la rótula: Cara posterior. Las dos carillas y la cresta se articulan con la troclea femoral. Todas las carillas articulares se hallan recubiertas de cartílago hialino. La capa de cartílago es más gruesa en los puntos de mayor fricción. En el fémur lo es en la porción media de los cóndilos y en la garganta de la tróclea. En la tibia aumenta en el
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 12 centro de las cavidades glenoideas y se adelgaza en la periferia. En la cara posterior de la rótula es epecialmente grueso (4 a 5 mm), sobre todo a la altura de la cresta media donde su espesor es el mayor de todo el organismo (Figura 2.3). Figura 2.3 Tibia proximal y superficies articulares 2.2.3 Partesblandas De las distintas partes blandas presentes en la rodilla hay tres que contribuyen funcionalmente a la actividad mecánica de la rodilla: los meniscos, los ligamentos y los músculos. Aquí no se describirán las otras partes blandas de la rodilla, cápsula articular, bursas, inervación e irrigación; por no contribuir al trabajo mecánico de la rodilla.
Capítulo 2: La rodilla 13 2.2.3.1 Meniscos Son dos fibrocartílagos avascularizados y desprovistos de conexiones nerviosas. Constituyen otra forma de estructura cartilaginosa en el interior de la rodilla. Están dispuestos entre la tibia y el fémur. Resultan esenciales en el juego fémorotibial. Por una parte, debido a su sección prismática, adaptan la superficie de los cóndilos, que tienen una convexidad acentuada, a la de los platillos tibiales, poco cóncavos. Por otra, debido a su consistencia elástica, son unos perfectos amortiguadores en la transmisión del peso a través de los huesos de la rodilla. También son encargados de agregar estabilidad articular al controlar los deslizamientos laterales de los cóndilos, aumentando la congruencia articular; y de transmitir uniformemente el peso corporal a la tibia, mejorando el reparto de presiones (Figura 2.4). Los meniscos disminuyen su grosor de fuera a dentro (tienen sección triangular). El interno es mayor y más abierto y tiene forma de "C" o "media luna creciente". El externo, en cambio, es más grueso y tiene forma de "O". La cara superior de éstos es cóncava y la inferior plana. Ambos meniscos poseen anclajes que evitan su desplazamiento y los mantienen en su posición periférica. Los cuernos de ambos meniscos poseen inserciones propias en la meseta tibial: en la superficie preespinal los cuernos anteriores y en la retroespinal los posteriores. Además, todo el contorno externo del menisco está unido a la cápsula articular, lo que ayuda a mantener su posición. Ambos meniscos quedan unidos entre sí por delante por el ligamento yugal. El ligamento menisco-femoral sujeta el cuerno posterior del menisco externo a la escotadura intercondílea. También se hayan unidos a la rótula mediante los ligamentos meniscorotulianos. El ligamento lateral interno y el tendón del semimembranoso (haz recurrente) tienen inserciones en los bordes interno y posterior, respectivamente, del menisco interno. Mientras que el tendón proximal del poplíteo envía una expansión fibrosa al borde posterior del menisco externo.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 14 Figura 2.4 Meniscos de la rodilla 2.2.3.2 Ligamentos Ligamentos laterales: Refuerzan la cápsula articular por sus lados interno y externo y aseguran la estabilidad de la rodilla en extensión. Respecto a las rotaciones, estos ligamentos limitan sobretodo la externa (Figura 2.5). Ligamento lateral interno (LLI): Se extiende desde la tuberosidad interna de la cara cutánea del cóndilo interno hasta el extremo superior de la tibia. Sus fibras posteriores se confunden más o menos con la cápsula y envían un haz al borde interno del menisco interno. Se inserta por detrás de la zona de inserción de los músculos que forman la pata de ganso. Su dirección es oblicua hacia abajo y hacia adelante: por tanto, cruzada en el espacio con la dirección del LCPI y la del LLE. Ligamento lateral externo (LLE): Se extiende desde la tuberosidad externa de la cara cutánea del cóndilo externo hasta la cabeza del peroné. Se distingue de la cápsula en todo su trayecto y está separado de la cara periférica del menisco externo por el paso del tendón del poplíteo. Su
Capítulo 2: La rodilla 15 dirección es oblicua hacia abajo y hacia atrás: por tanto, su dirección se cruza en el espacio con la del LCAE y la del LLI. Figura 2.5 Ligamentos principales de la rodilla Ligamentos cruzados: Están situados en pleno centro de la articulación, alojándose mayoritariamente en la escotadura intercondílea. Tiene importantes conexiones con la cápsula. En cualquier posición siempre tienen algunas de sus fibras en tensión. Además de los desplazamientos de la meseta tibial respecto al fémur limitan sobre todo la rotación interna de la pierna, tanto en flexión como en extensión. Están recubiertos por un desdoblamiento de la membrana de la sinovial (Figura 2.5). Ligamento cruzado anterorexterno (LCAE): Se inserta inferiormente en superficie preespinal de la tibia entre la espina medial de la tibia (posterior), la inserción anterior del menisco lateral (lateroposterior) y la inserción anterior del menisco medial (anterior).Se fija en una zona de inserción vertical sobre la mitad posterior de la cara intercondílea del cóndilo lateral del fémur. Tiene tres haces que se enrollan entre sí: anterointerno, posteroexterno e intermedio. Ligamento cruzado posterior interno (LCPI): Nace en la superficie retroespinal de la tibia, posteriormente a las inserciones de los meniscos lateral y medial. Sus inserciones se prolongan inferoposteriomente en la parte superior de la depresión vertical, que es continuación de la superficie retroespinal. Desde ese punto, el ligamento se dirige superior, anterior y
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 22 de 170-175º: es el valgus fisiológico de la rodilla. Cuando el valor de este ángulo se sale de los límites fisiológicos se produce una de las siguientes variaciones patológicas: Genu varum: el centro de la rodilla se desplaza hacia afuera, abriendo (>175º) e incluso invirtiendo (>180º) el ángulo de valgus. Genu valgus: el centro de la rodilla se desplaza hacia adentro, cerrando (<170º) el ángulo de valgus. Alrededor de este eje se realizan los movimientos rotacionales de la rodilla, solo posibles cuando la rodilla está en flexión. Eje transverso: atraviesa horizontalmente los dos cóndilos femorales. No constituye la bisectriz del valgus (81º con el eje del fémur y 93º con el de la pierna). Esto hace que en máxima flexión el eje de la pierna no se situé por detrás del eje del fémur sino por detrás y un poco hacia adentro, desplazando el talón hacia el plano de simetría y haciéndole contactar con la nalga a la altura de la tuberosidad isquiática. Alrededor de éste eje se realizan los movimientos de flexo-extensión de la rodilla. Eje anteroposterior: No presupone un tercer grado de movimiento, aunque con la rodilla flexionada hay una cierta holgura mecánica que permite pequeños movimientos de lateralidad. Se deben a que el cartílago articular es compresible y elástico. 2.3.2 Arquitecturaósea El cuerpo del fémur es de corte triangular pero el borde posterior se bifurca en la parte distal, pasando a ser un hueso de corte cuadrangular y ensanchándose poco a poco, con lo que la base del fémur tiene forma como tronco de pirámide. El cuerpo de la tibia es de corte triangular. En la parte proximal su borde anterior se bifurca, pasando a ser el cuerpo de corte cuadrangular y ensanchándose poco a poco hacia arriba. La parte alta de la tibia parece un tronco de pirámide invertido. Así, para articularse, ambos huesos toman la forma de un cuerpo macizo a modo de capitel de columna, lo que asegura una gran resistencia a las presiones.
Capítulo 2: La rodilla 23 2.3.2.1 Conformacióndelatibia La tibia interiormente está conformada de: tejido esponjoso en las extremidades o epífisis y tejido compacto en el cuerpo. La porción proximal de la tibia posee una estructura trabecular, con dos sistemas que se inician en las corticales interna y externa y se expanden por debajo de la glenoide homolateral (fibras de compresión) y de la glenoide contralateral (fibras de tracción). Hay además trabéculas horizontales que unen ambas glenoides. 2.3.3 Movimientosdelarodilla La articulación femorotibial posee un movimiento tridimensional y, por tanto, 3 componentes de giro (Figura 2.7): angulación varo-valgo (plano frontal, eje anteroposterior), rotación (plano transversal, eje vertical) y flexo-extensión (plano sagital, eje transversal). También tiene 3 componentes de desplazamiento (Figura 2.7): medio-lateral, anteroposterior y compresión-separación, de los cuales solo es trascendente el segundo en un mecanismo combinado con el rodamiento de los cóndilos femorales sobre la tibia, guiado por el ligamento cruzado posterior, que predomina en los primeros grados de flexión y el desplazamiento al final de esta. El desplazamiento mediolateral resulta mínimo, atribuible a la congruencia articular proporcionada por los meniscos y las partes blandas (ligamentos y contracción muscular). Figura 2.7 Ejes y grados de libertad de la rodilla derecha
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 24 El movimiento de rotación suele ser generalmente automático e involuntario y de un orden de magnitud poco importante. Así pues, el movimiento principal es el de flexo-extensión. Figura 2.8 Movimientos de la rodilla Conviene señalar que el grado de flexión de la rodilla en un ciclo de marcha normal, varía a lo largo de dicho ciclo, pero nunca está completamente extendida. Este movimiento de flexo-extensión funciona como un helicoide y no como una bisagra simple, pues existe una combinación de flexo-extensión con rotaciones, debida a la mayor dimensión próximo-distal del cóndilo medial respecto al lateral. Asimismo, para el movimiento de flexión, el deslizamiento anteroposterior femorotibial aumenta la potencia del aparato extensor hasta en un 30%, al obtener un momento mecánico más favorable. Por tanto podemos decir que la rodilla posee dos movimientos principales y otros menores. Estos movimientos principales son: Según el eje transversal: situados en un plano sagital se realizan los movimientos de flexión y de extensión. Es el movimiento principal de la rodilla. Según el eje longitudinal: situados en un plano transversal se efectúan movimientos de rotación externa y rotación interna. Sólo son posibles cuando la rodilla está flexionada.
Capítulo 2: La rodilla 25 2.3.3.1 Flexo‐extensión Tal y como hemos visto anteriormente, los movimientos de flexión y extensión se realizan alrededor de un eje frontal, bicondíleo, que pasa los epicóndilos femorales. La cara posterior de la pierna se aproxima a la cara posterior del muslo en el curso de la flexión y sucede lo contrario en la extensión. La flexo-extensión de la rodilla resulta de la suma de dos movimientos parciales que ejecutan los cóndilos femorales en la cámara suprameniscal: un movimiento de rodado, similar al que realizan las ruedas de un vehículo sobre el suelo y un movimiento de deslizamiento de aquellos sobre las cavidades glenoideas; este último de mayor amplitud que el primero. El desarrollo de cada cóndilo femoral es dos veces mayor que la longitud de su correspondiente glenoide tibial. Si el cóndilo rodase sin resbalar, a partir de determinado grado de flexión el cóndilo bascularía por detrás de la glenoide. Por el contrario, si el cóndilo resbalase sin rodar la flexión se limitaría de forma prematura, obstaculizada por el borde posterior de la glenoide. Esto obliga a cada cóndilo a realizar un movimiento combinando los dos anteriores: a partir de una extensión máxima, el cóndilo empieza a rodar sin resbalar, a continuación, a partir de los 15-20º de flexión, el deslizamiento comienza a predominar cada vez más sobre la rodadura, de tal manera que al final de la extensión el cóndilo resbala sin rodar. Es interesante señalar que estos 15-20º de rodadura inicial corresponden a la amplitud habitual de los movimientos de flexo-extensión que se realizan durante la marcha. La rodadura pura, antes de empezar a resbalar, es mayor en el cóndilo externo (hasta los 20º de flexión) que en el interno (hasta los 10-15º). La rótula se desplaza en el plano sagital en los movimientos de flexoextensión, desplazándose en un arco de circunferencia cuyo centro se sitúa en la tuberosidad anterior de la tibia y cuyo radio es igual a la longitud del ligamento rotuliano. Al mismo tiempo, bascula sobre sí misma unos 35º, de forma que su cara posterior mira hacia atrás en la extensión y hacia atrás y hacia abajo en la flexión máxima. Respecto a la tibia, pues, experimenta un movimiento de traslación circunferencial. Respecto al fémur, la rótula realiza una traslación vertical a lo largo de la garganta de la tróclea. El desplazamiento de la rótula equivale al doble de su longitud (8 cm). Sube en la extensión y desciende en la flexión, hasta la escotadura intercondílea.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 26 2.3.3.1.1 Factoreslimitantes Limitantes de la flexión: Distensión de los músculos extensores (cuádriceps crural). Masa de los músculos flexores en el hueco poplíteo. Segmento posterior de los meniscos. Limitantes de la extensión: Distensión de los músculos flexores. Segmento anterior de ambos meniscos. Distensión de la parte posterior del manguito capsuloligamentoso. Ligamentos laterales y cruzados. 2.3.3.2 Rotación Ya hemos visto que la rodilla puede realizar solamente estos movimientos cuando se encuentra en posición de semiflexión, pues se producen en la cámara submeniscal de la articulación y consisten en un movimiento rotatorio de las tuberosidades de la tibia. En la extensión completa de la articulación, los movimientos de rotación no pueden realizarse porque lo impide la gran tensión que adquieren los ligamentos laterales y cruzados y por el hecho de que el macizo de las espinas tibiales está encajado en la escotadura intercondílea. La máxima movilidad rotatoria activa de la pierna se consigue con la rodilla en semiflexión de 90º. La rotación externa es siempre más amplia que la interna. La capacidad de rotación de la articulación de la rodilla confiere a la marcha humana mayor poder de adaptación a las desigualdades del terreno y, por consiguiente, mayor seguridad. Los movimientos de rotación desempeñan también una función importante en la flexión de las rodillas, cuando se pasa de la posición de pie a la de cuclillas. La capacidad de rotación de la rodilla permite otros muchos
Capítulo 2: La rodilla 27 movimientos, por ejemplo: cambiar la dirección de la marcha, girar sobre sí mismo, trepar por el tronco de un árbol y tomar objetos entre las plantas de los pies. En los movimientos de rotación axial los desplazamientos de la rótula con respecto a la tibia se realizan en el plano frontal. En rotación neutra la dirección del ligamento rotuliano es ligeramente oblicua hacia abajo y hacia afuera. Durante la rotación interna, el fémur gira en rotación externa con respecto a la tibia, desplazando la rótula hacia afuera. El ligamento rotuliano se hace oblicuo hacia abajo y adentro. Durante la rotación externa sucede lo contrario: el fémur arrastra la rótula hacia dentro y el ligamento rotuliano queda oblicuo hacia abajo y hacia fuera (más que en posición neutra). 2.3.3.2.1 Factoreslimitantes Rotación interna Los ligamentos cruzados limitan más el movimiento de rotación interna ya que aumentan su cruzamiento y tienden a enrollarse entre ellos. Rotación externa El movimiento de rotación externa está más limitado por los ligamentos laterales, que aumentan su cruzamiento y tienden a enrollarse, aunque no directamente sino en la distancia y alrededor de los huesos, y por el tono del músculo poplíteo. 2.3.3.3 Rotacionesautomáticasdelarodilla Van unidas a los movimientos de flexo-extensión de manera involuntaria e inevitable. Tiene lugar, sobre todo, en los últimos grados de la extensión o al principio de la flexión. Cuando la rodilla se flexiona la pierna gira en rotación interna porque el cóndilo externo retrocede más que el interno. Al contrario, al extender la rodilla la tibia gira en rotación externa para recuperar suposición. Esto es debido a las siguientes causas:
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 28 El cóndilo externo es más grande y rueda más (hasta los 20º, frente a los 10-15º del interno). Además, la forma de las glenoides limita más el retroceso del cóndilo interno (glenoide cóncava) que el del externo (glenoide anteroposteriormente convexa). Cuando los cóndilos retroceden, el LLE (oblicuo hacia abajo y atrás) se tensa menos que el LLI (oblicuo hacia abajo y adelante), dejando más margen de retroceso al cóndilo externo. La acción predominante de los músculos flexores-rotadores internos: músculos de la pata de ganso y poplíteo. La tensión del LCAE al final de la extensión: el ligamento pasa por fuera del eje y su tensión provoca una rotación externa. Como consecuencia de este mecanismo de rotación automática sucede el fenómeno conocido como autoatornillamiento, que produce el bloqueo femorotibial en extensión completa y aumenta la estabilidad articular, entre otras situaciones, en el instante del apoyo del talón en la marcha. Dicho mecanismo tiene lugar mediante la rotación externa progresiva, con la extensión de la rodilla en fase de balanceo, y provoca el bloqueo progresivo en los últimos 15° de extensión. 2.3.3.4 Rangosdemovimiento Como ya hemos dicho los movimientos de la rodilla tiene factores limitantes de sus posibles rangos. A continuación se detallan para cada uno de ellos: Flexión: Activa: 140º si la cadera está previamente flexionada. 120º si la cadera está en extensión, debida a la pérdida de eficacia de los isquiotibiales, aunque es posible sobrepasarlos con una contracción balística si los isquiotibiales inician una contracción brusca y potente que finaliza con una flexión pasiva. Pasiva: 160º. Permite que el talón contacte con la nalga. En condiciones normales solo está limitada por el contacto de las masas musculares de la pantorrilla y el muslo. En condiciones patológicas puede estar limitada por la retracción del aparato extensor o por retracciones capsulares.
Capítulo 2: La rodilla 29 Extensión: Activa: rara vez sobrepasa, y por poco, la posición de referencia en la que el eje de la pierna se sitúa en la prolongación del eje del muslo. Depende de la posición de la cadera ya que la extensión previa de ésta aumenta la eficacia del recto anterior. Se llama extensión relativa al movimiento que completa la extensión de rodilla a partir de cualquier posición de flexión. Pasiva: 5-10º. Rotación externa: 40º con la rodilla flexionada a 90º. 30º cuando la rodilla está flexionada a 30º. La rotación pasiva es ligeramente más amplia que la activa. Rotación interna: 30º con la rodilla flexionada a 90º. Varía con el grado de flexión de la rodilla. La rotación pasiva es ligeramente más amplia que la activa. 2.3.4 Estabilidaddelarodilla La estabilidad de la rodilla depende fundamentalmente de los potentes ligamentos cruzados y laterales y de los músculos que los refuerzan. 2.3.4.1 Estabilidadlateral Los ligamentos laterales refuerzan la cápsula articular por sus lados interno y externo. Aseguran la estabilidad lateral de la rodilla en extensión. Se tensan en la extensión y se distienden en la flexión. En la flexión, además, el LLE cambia su dirección: de oblicua hacia abajo y atrás pasa a ser oblicua hacia abajo y ligeramente hacia delante. Debido a la inclinación del eje femoral hacia abajo y hacia dentro, la fuerza que transmite a la tibia no es completamente vertical: tiene una pequeña componente
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 30 transversal que tiende a acentuar el valgus, abriendo la interlínea interna de la articulación. El LLI se opone a esta dislocación. Cuanto más acentuado es el valgus mayor es su tendencia a acentuarse y más requiere al LLI. En las fuerzas laterales bruscas producidas por la carrera y la marcha los ligamentos laterales son reforzados por músculos que constituyen auténticos ligamentos activos: el LLE está reforzado por el tracto ileotibial o cintilla de Maissat, tensado por el tensor de la fascia lata; el LLI está reforzado por los músculos de la pata de ganso: sartorio, semitendinoso y recto interno. Además, ambos ligamentos están reforzados por el cuádriceps, cuyas expansiones directas y cruzadas constituyen una capa muy fibrosa en la cara anterior de la articulación. Las expansiones directas se oponen al bostezo de la interlínea del mismo lado y las cruzadas al del opuesto. Cada vasto actúa, gracias a estos dos tipos de expansiones, sobre la estabilidad de la articulación en ambos sentidos. 2.3.4.2 Estabilidadanteroposterior En alineación normal con ligera flexión la fuerza que representa el peso del cuerpo pasa por detrás del eje de flexo-extensión y la flexión tiende a acentuarse si la contracción estática del cuadriceps no lo impide. Con la rodilla flexionada y sobre un solo pie hace falta además que los músculos rotadores trabajen para impedir o frenar las rotaciones: vasto interno, sartorio y recto interno por el interior; vasto externo, biceps y tensor de la fascia lata por el exterior. Por el contrario, si la rodilla se coloca en hiperextensión, la tendencia natural a acentuarla queda rápidamente bloqueada por los elementos capsuloligamentosos posteriores (plano fibroso posterior de la cápsula, ligamentos laterales, LCPI), sin que sea necesaria la intervención del cuádriceps. La parte posterior de la cápsula está reforzada por potentes elementos fibrosos: cáscaras condíleas y ligamentos poplíteos (arqueado y oblicuo). Todas las formaciones del plano fibroso posterior se tensan en la hiperextensión, así como los ligamentos laterales y el cruzado posterointerno. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que el ligamento más tenso en esta posición es el cruzado anteroexterno. Por último, los músculos flexores de la rodilla
Capítulo 2: La rodilla 31 son factores activos de la limitación: los músculos de la pata de ganso, el bíceps femoral y también los gemelos si los tensa la flexión dorsal de la tibiotarsiana. 2.3.5 Cargasenlarodilla Por último para caracterizar completamente el funcionamiento mecánico de la rodilla, necesitamos determinar el comportamiento cinético de la misma. En realidad, lo que nos interesa para el presente trabajo es la componente vertical de la fuerza a la que está sometida la rodilla en el proceso de marcha. 2.3.5.1 Lamarchahumana La marcha humana es un modo de locomoción bípeda con actividad alterna de los miembros inferiores, que se caracteriza por una sucesión de doble apoyo y de apoyo unipodal. Es decir que durante la marcha el apoyo no deja nunca el suelo, mientras que tanto en la carrera, como en el salto, existen fases aéreas, en las que el cuerpo queda suspendido durante un instante (Figura 2.9). Para su mejor descripción conviene dividir la marcha en fases, ya que su análisis cinemático comienza por la inspección visual de cada región anatómica, en cada una de las fases del ciclo de la marcha, mientras el individuo camina. Por ello, definiremos el ciclo de marcha y sus fases. Figura 2.9 Ciclo normal de la marcha humana
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 38 3.2 Factoresdeterminantesdelasupervivenciadelaprótesis La supervivencia de la prótesis total de rodilla está fundamentalmente relacionada con tres factores (Sharkey et al. 2002): El diseño del implante. La selección del paciente. Técnica quirúrgica. El análisis de supervivencia de la prótesis, como medio de evaluación del éxito de la artroplastia total de rodilla, tiene la ventaja de incluir, al menos al principio, a todos los pacientes operados. Sin embargo adolece de un defecto, la falta de control de las exclusiones. A saber, aquellos pacientes que dejan el seguimiento y los fallecidos. De todas formas, permite obtener resultados bastante significativos de la evolución del éxito tanto de la propia prótesis como de las técnicas utilizadas y la evaluación de los protocolos puestos en práctica. Se han realizado varios estudios, como el de Rand e Ilstrup, de análisis de supervivencia y se han detectado cuatro factores significativos favorables a la supervivencia de la prótesis (Rand et al. 1991): Artroplastia total de rodilla primaria. Edad del paciente superior a los 60 años. Diagnóstico de artritis reumatoide. Técnica quirúrgica. Como resumen corolario de los distintos trabajos se puede decir que las artroplastias totales de rodilla tienen más éxito, resultados más duraderos en el tiempo, en pacientes (Rand et al. 2003): Femeninos, la supervivencia es mayor que en pacientes masculinos. Mayores de 70, tienen menos actividad y menor exigencia que aquellos más jóvenes. Con artritis inflamatoria frente a quienes padecen artrosis, tienen menos actividad que los segundos. Con prótesis cementada, pues en ésta tiene una menor incidencia el aflojamiento.
Capítulo 3: Artroplastia total de rodilla de revisión 39 Con la rótula cubierta por un botón de polietileno, aunque la diferencia es muy pequeña. 3.3 Causasderevisiónprotésica El reemplazo total de rodilla es considerado como una intervención con altos índices de éxito por tiempos prolongados, con una supervivencia de los implantes entre 10 y 15 años de hasta un 90% de los pacientes intervenidos. A pesar de estos resultados predecibles, existen ciertas causas de fallo que disuaden al paciente y al cirujano. Según Sharkey, en una revisión consecutiva de 212 causas de revisión de reemplazo total de rodilla, considerando como causas de fallo temprano aquellas ocurridas dentro de los 2 primeros años desde la cirugía, la causa más frecuente fue por inestabilidad o por malalineamiento (Tabla 3.1). La causa más frecuente de falla tardía fue el desgaste de polietileno (Sharkey et al. 2002). Desgaste de polietileno 25.0 % Aflojamiento aséptico 24.1 % Inestabilidad 21.2 % Infección 17.5 % Artrofibrosis (rigidez) 14.6 % Malalineamiento 11.8 % Deficiencia del mecanismo extensor 6.6 % Necrosis avascular de la rótula 4.2 % Fractura periprotésica 2.8 % Resuperficialización de la rótula 0.9 % Tabla 3.1 Fallos causantes de la revisión protésica Se podría haber reducido la reincidencia de algunos fallos mejorando el diseño y el material de los implantes. Otras razones de fallo estaban relacionadas con la técnica quirúrgica y la elección del implante, siendo responsabilidad del cirujano disminuir su incidencia, en ambos casos.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 40 3.4 Patogeniadelapérdidaósea Como ya se ha dicho, el aumento de indicaciones quirúrgicas de la artroplastia total de rodilla ha conllevado que aumente el número de revisiones. En todas las operaciones de artroplastia se producen pérdidas óseas y en cada una de ellas se sacrifica cada vez una mayor cantidad de hueso, llegándose a necesitar injertos óseos o suplementos a la prótesis. La pérdida de hueso puede ser localizada o difusa y se produce por varios mecanismos y debido a distintos factores. Una reacción inflamatoria aguda por infección puede producir pérdida de hueso. En los casos asépticos, la pérdida ósea puede deberse a tres causas, según Lewis (Lewis et al. 1998a): Pérdida ósea de origen mecánico. Pérdida ósea difusa por fuerzas de protección. Por osteólisis. 3.4.1 Pérdidasdeorigenmecánico En lo que se refiere a la pérdida de hueso que se produce tras la implantación de una prótesis total de rodilla, la causa más frecuente de pérdida es obviamente la pérdida mecánica, que significa la resección que se efectúa durante la operación. Esta pérdida ósea puede ser perfectamente controlable por el cirujano en el mismo momento de la operación con la técnica adecuada (Wright et al. 1990). Otra de las causas de pérdida de hueso es la debida a la extracción de la prótesis primaria, generalmente por una mala aplicación de la técnica de extracción. Otra causa de fallo protésico por pérdida mecánica, constituyen los micromovimientos que ocurren en la interfase prótesis-hueso. Son los responsables de la pérdida aséptica del implante que se observa sobre todo bajo la bandeja tibial de las prótesis no cementadas, al no permitir el crecimiento óseo dentro del componente (Ritter et al. 1995). Por último se pueden dar dos fallos por parte del cirujano. El primero, usar un platillo tibial pequeño que no apoye en la cortical, produciéndose un efecto pistón al
Capítulo 3: Artroplastia total de rodilla de revisión 41 hundise en la trabecular. Y segundo una mala colocación de los componentes que genere una excesiva asimetría de cargas por el mal alineamiento (Wright et al. 1990). 3.4.2 Pérdidaóseadifusaporfuerzasdeprotección La prótesis total de rodilla falla especialmente en el componente tibial, probablemente debido a un fallo en el componente del soporte óseo trabecular. La densidad ósea disminuye paulatinamente estabilizándose al año de la intervención (Seitz et al. 1987; Bourne et al.1986). 3.4.3 Porosteólisis La osteólisis puede definirse como la sustitución del material óseo que rodea la prótesis por un tejido inflamado crónico y que puede coexistir o no con aflojamiento. Se explica que a partir de partículas de desgaste, se produce una inflamación periprotésica, con pérdida secundaria de hueso. En este proceso están imbricados los factores citoquímicos de la inflamación, como la estimulación de macrófagos y la subsiguiente secreción de Prostaglandinas, Factor de Necrosis Tumoral, Interleukinas, etc. Las partículas no sólo causan erosión ósea sino pérdida focal y lineal de hueso (Haynes et al. 1993). 3.4.3.1 Tiposdedesgaste Existen varios tipos de desgaste que llevan a la producción de partículas. Se puede definir como desgaste la pérdida de material de superficies sólidas, tanto articulares como no articulares, como resultado de la acción mecánica. La consecuencia es la pérdida de adhesión cohesiva dentro del material produciendo su fractura y eliminando un fragmento.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 42 Cuando entre dos superficies que tienen contacto, la fuerza de atracción de uno de los materiales excede la del otro, se produce un desgaste adhesivo. Este tipo de desgaste sería la causa predominante de deterioro del polietileno del componente tibial. Si las asperezas de un material duro destruyen fragmentos de un material blando, el desgaste ocurre por abrasión. El desgaste de tercer cuerpo se debe a la interposición de una sustancia entre 2 superficies de contacto, tales como las partículas de hueso, cemento o metal. Finalmente tenemos el desgaste por fatiga de contacto, produciéndose fatiga por tensiones de Hertz y provocando la separación de fragmentos laminares. La importancia de la osteólisis está en la relación con el volumen del desgaste. Éste se ve afectado por factores relacionados con el diseño de la prótesis, la técnica quirúrgica y los materiales empleados (Engh et al.1988, Schmalzried et al. 1999, Callaghan et al. 2000; Mikulak et al. 2001). 3.4.3.2 Tiposdedefectosóseososteolíticos Podemos diferenciar dos tipos de defecto óseo que son consecuencia de la acumulación de partículas de desgaste en el hueso periprotésico adyacente a un implante estable: Osteólisis Focal: Cuando los componentes han sido fijados rígidamente, como sucede en las prótesis constreñidas. La lesión se delimita produciendo un borde de hueso esclerótico alrededor y parece estar contenida por una barrera de nueva formación ósea Osteólisis Expansiva: A veces se produce una lesión agresiva que neutraliza la capacidad del hueso anfitrión de contener el fenómeno de migración de partículas. Esto puede comprometer la integridad del hueso cortical adyacente. También se produce osteólisis, cuando el metal liso adyacente al hueso, se expone a partículas de desgaste del implante. Esto es frecuente en implantes no cementados, que no están completamente revestidos de una capa porosa. Primero se forma una capa fibrosa en la interfase del implante liso y del hueso, luego se agregan partículas en este tejido fibroso, que llevan a la formación de un granuloma.
Capítulo 3: Artroplastia total de rodilla de revisión 43 Este proceso osteolítico tiene lugar en áreas donde el componente y el hueso no están unidos por cemento o por penetración de hueso y en los sitios donde el hueso esponjoso no está cubierto por el componente. Puede aparecer tanto en prótesis cementadas como no cementadas. 3.4.4 Clasificacióndelosdefectosóseos Los defectos óseos los podemos clasificar desde distintas perspectivas, (Qiu et al. 2011a) según las necesidades de injerto, según la extensión de la afección del hueso y otras clasificaciones estructuradas como la del Anderson Orthopaedic Research Institute. (Engh et al.1999) 3.4.4.1 Clasificacióndeldefectoóseosegúnlasnecesidadesdeinjerto Esta clasificación del defecto óseo atiende a la autoportabilidad del injerto para ocupar el hueco del defecto. Contenidos: El material a injertar cabe enteramente en el hueso huésped. No contenidos: El material a injertar debe ser fijado mecánicamente. 3.4.4.2 Clasificacióndeldefectoóseosegúnlaextensióndeladeficienciaósea Esta clasificación del defecto óseo atiende a los efectos mecánicos sobre el hueso así como a la extensión de estos efectos, extensión local o global del hueso. Cavitarios: No comprometen la integridad mecánica del hueso y pueden afectar tanto al tejido cortical como al esponjoso, comprometiendo parcialmente su funcionalidad.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 44 Segmentarios: El tejido cortical de apoyo del hueso está afectado y existe compromiso severo de la integridad mecánica, comprometiendo completamente su funcionalidad. 3.4.4.3 ClasificaciónAndersonOrthopaedicResearchInstitute En esta clasificación Engh y Ammeen, a partir de la casuística recopilada a lo largo de las intervenciones quirúrgicas realizadas clasificaron los defectos (Tabla 3.2) así como las directrices para su clasificación y tratamiento (Tabla 3.3). Existen algunas clasificaciones más, con disposiciones más o menos estructuradas, pero esta última presentada puede ser un ejemplo de la más utilizada hoy en día (Qiu et al. 2011a). Defecto Tipo de defecto Descripción Tipo 1 Hueso metafisiario intacto Buen hueso esponjoso a un nivel normal o cerca de un nivel normal de la línea articular Tipo 2A Hueso metafisiario afectado Pérdida de hueso esponjoso que exige relleno con cemento, aumentos o injertos óseos de pequeño tamaño para restituir un nivel razonable de interlínea articular. Están afectados ambos platillos tibiales Tipo 2B Sólo está afectado uno de los dos platillos tibiales Tipo 3 Hueso metafisiario insuficiente Hueso insuficiente que pone en peligro una parte importante de la cara articular superior; estos defectos suelen exigir aloinjertos estructurales de gran tamaño, un componente articulado rotatorio o un componente a medida (Engh et al. 1999, 167-175) Tabla 3.2 Tipos de defectos óseos en la tibia del Anderson Orthopaedic Research Institute Defecto Tipo de defecto Radiografía preoperatorias Tratamiento quirúrgico Tipo 1 Hueso metafisario intacto Segmento metafisario completo Hueso metafisario intacto por encima de la tuberosidad tibial anterior(TTA); sin hundimiento ni osteólisis del componente Sin aumentos, injertos óseos estructurales o relleno de cemento > 1 cm Tipo 2 Hueso metafisario afectado Borde metafisario acortado Hundimiento del componente o situación del componente en la punta o por debajo de la punta de la cabeza del peroné; borde metafisario tibia acortado. Restitución de la línea articular con aumentos (> 4 mm); injerto óseo en partículas o un trozo o relleno de cemento > 1 cm; elevación de la interlínea articular con un componente primario como implante de revisión Tipo 3 Hueso metafisario insuficiente Borde metafisario insuficiente Afectación ósea o hundimiento del componente sobre la TTA Cara articular superior reconstruida con injerto óseo estructural o cemento, o un componente articulado o a medida (Engh et al. 1999, 167-175) Tabla 3.3 Directrices para la clasificación y el tratamiento de los defectos óseos de la tibia. Anderson Ortopaedic Resear Institute
45 CAPÍTULO 4 4 El hueso e injertos óseos 4.1 Elhueso En los siguientes apartados pasaremos a describir sucintamente el hueso, su constitución y estructura, así como unas ideas básicas de la osteoporosis. 4.1.1 Histologíaósea El tejido óseo es un tipo especializado de tejido conjuntivo formado por células, fibras y material intercelular calcificado (matriz ósea). La mayor porción de sales que hay en el hueso la aporta una substancia que se parece mucho a la estructura de la hidroxiapatita [Ca3(PO4)2] 3 • Ca(OH)2 existiendo también pequeñas cantidades de carbonato cálcico (CaCO3). Estas sales cristalizan a medida que se depositan sobre
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 46 la trama formada por fibras de colágeno de la matriz, y el tejido se endurece. Este proceso se denomina calcificación o mineralización. Aunque la dureza del hueso depende de las sales minerales inorgánicas cristalizadas, sería muy quebradizo sin las fibras de colágeno. Las sales minerales se acumulan en espacios microscópicos situados entre las fibras de colágeno y después cristalizan y se endurecen. El hueso no es completamente sólido, sino que tiene muchos espacios entre sus componentes duros. Estos espacios proporcionan canales para los vasos sanguíneos que llevan los elementos nutritivos a las células óseas. Los espacios hacen también que el hueso sea más ligero. Dependiendo del tamaño y de la distribución de los espacios pueden distinguirse zonas compactas y esponjosas. Observando directamente la superficie de un hueso cortado, se comprueba que está formado por partes sin cavidades visibles, el hueso compacto y por partes con muchas cavidades intercomunicadas, el hueso esponjoso. Esta clasificación no es microscópica sino histológica ya que el tejido compacto y los tabiques que separan las cavidades del esponjoso tienen la misma estructura histológica básica. 4.1.1.1 Célulasóseas En el tejido óseo existen cuatro tipos básicos de células: osteoprogenitoras (osteogénicas), osteoblastos, osteocitos y osteoclastos. Y un quinto, células tapizantes del hueso, derivadas de los osteoblastos. Figura 4.1 Células óseas
Capítulo 4: El hueso e injertos óseos 47 4.1.1.1.1 Célulasosteoprogenitoras Son unas células no especializadas, derivadas del mesénquima que pueden experimentar mitosis y transformarse en osteoblastos. Estas células se encuentran en la parte interna del periostio, en el endostio y en los canales perforantes y de Havers. Ocasionalmente y bajo la influencia de factores de crecimiento como el TGFb (factor de crecimiento transformante b) algunas células hematopoyéticas de la médula ósea pueden diferenciarse a células osteoprogenitoras. 4.1.1.1.2 Osteoblastos Los osteoblastos son las células responsables de la formación y organización de la matriz extracelular del hueso y de su posterior mineralización. Además liberan algunos factores que son probablemente mediadores de la reabsorción ósea. Son células cuboides que forman una capa en las superficies de los huesos en crecimiento, o como en el caso de la osificación intramembranosa, rodean áreas de osificación. Parte de su membrana se encuentra en contacto con el borde osteide, llamándose así el área donde está teniendo lugar la calcificación. Como otras células que fabrican activamente proteínas, los osteoblastos tienen abundante retículo endoplásmico rugoso y un área de Golgi muy desarrollada. Se reconocen fácilmente vesículas de pinocitosis cerca de la membrana responsables de la secreción del colágeno. El principal producto de los osteoblastos maduros es el colágeno de tipo I que constituye el 90% de las proteínas del hueso. Pero, además, producen otras proteínas como la osteocalcina y las proteínas Gla matriciales y glicoproteínas fosforiladas incluyendo las sialoproteínas I y II, la osteopontina y la osteonectina. Las principales proteínas con actividad enzimática producidas por los osteoblastos son la fosfatasa alcalina y la colagenasa. En resumen, el estímulo mecánico favorece la formación del hueso. Este es un concepto conocido como Ley de Wolff (El hueso tiene la capacidad de modelarse, alterando su tamaño, forma y estructura, para adaptarse a las exigencias mecánicas que sobre él actúa).
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 54 4.1.2 Clasificacióndeloshuesossegúnsuforma Los huesos del esqueleto se dividen según su forma, en cinco tipos: Largos: Cuando predomina una de sus dimensiones sobre las otras dos. El hueso largo está configurado por una zona cilíndrica (diáfisis) y dos extremos llamados epífisis. La diáfisis está formada por tejido compacto, engrosado en la parte media y con una curvatura que le provee resistencia al hueso. En el interior de la porción cilíndrica está la cavidad de la medular. Los extremos de la diáfisis y las epífisis están formadas por hueso esponjoso rodeado de hueso compacto. Ejemplos de huesos largos son el fémur, el húmero, el radio, la tibia y el peroné. El trabajo de esta tesis se centra en la aplicación de un dispositivo en ciertos defectos óseos de la epífisis proximal de la tibia. Cortos: Cuando las tres dimensiones espaciales del hueso son similares y reducidas. Los huesos cortos tienen forma irregular. Son de tejido esponjoso cubierto por una delgada capa de tejido compacto. Ejemplos de dichos huesos son los carpianos y los tarsianos. Planos: cuando predominan dos de sus dimensiones sobre la tercera. Los huesos planos están donde se necesita protección de las partes blandas del cuerpo. Estos huesos están compuestos de tejido esponjoso encerrado por dos láminas planas de tejido compacto. Ejemplos de dichos huesos son los huesos del cráneo, las costillas y el omóplato. Irregulares: Tienen una forma característica y diferente. Están compuestos por tejido esponjoso cubierto por tejido compacto. Ejemplos de dichos huesos son las vértebras y los huesillos del oído. Sesamoideos: Son huesos pequeños y redondeados. Normalmente se localizan junto a articulaciones y su función es incrementar la función de palanca de los músculos. Ejemplo de dichos huesos es la rótula.
Capítulo 4: El hueso e injertos óseos 55 Figura 4.5 Tipos de huesos humanos según su forma 4.1.3 Remodelaciónósea El hueso es un tejido dinámico en constante formación y reabsorción, que permite el mantenimiento del volumen óseo, la reparación del daño tisular y la homeostasis del metabolismo fosfocálcico. Este fenómeno equilibrado denominado proceso de remodelado permite la renovación de un 5% del hueso cortical y un 20 % del trabecular al año. Aunque el hueso cortical constituye un 75% del total, la actividad metabólica es 10 veces mayor en el trabecular, ya que la relación entre superficie y volumen es mayor (la superficie del hueso trabecular representa un 60% del total). Por esto la renovación es de un 5-10% del hueso total al año. El remodelado óseo existe toda la vida, pero sólo hasta la tercera década el balance es positivo. Es precisamente en la treintena cando existe la máxima masa ósea, que se mantiene con pequeñas variaciones hasta los 50 años. A partir de aquí, existe un predominio de la reabsorción y la masa ósea empieza a disminuir. A nivel microscópico el remodelado óseo se produce en pequeñas áreas de la cortical o de la superficie trabecular, llamadas unidades básicas multicelulares o BMU (basic multicellular units). La reabsorción siempre precede a la formación y en el esqueleto joven las cantidades de hueso reabsorbidas son similares a las
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 56 neoformadas. Por esto se dice que es un proceso balanceado, acoplado en condiciones normales, tanto en el espacio como en el tiempo. La vida media de cada unidad de remodelado en humanos es de 2 a 8 meses y la mayor parte de este período está ocupado por la formación ósea. Existen en el esqueleto humano 35 millones de unidades básicas multicelulares y cada año se activan 3-4 millones, por lo que el esqueleto se renueva totalmente cada 10 años. 4.1.3.1 Fasesdelremodeladoóseo El remodelado óseo puede ser dividido en las siguientes fases (Figura 4.6): Figura 4.6 Fases de la remodelación ósea (COMPSTON 2001)
Capítulo 4: El hueso e injertos óseos 57 1 Fase quiescente: Se dice del hueso en condiciones de reposo. Los factores que inician el proceso de remodelado aún no son conocidos. 2 Fase de activación: El primer fenómeno que tiene lugar es la activación de la superficie ósea previa a la reabsorción, mediante la retracción de las células limitantes (osteoblastos maduros elongados existentes en la superficie endóstica) y la digestión de la membrana endóstica por la acción de las colagenasas. Al quedar expuesta la superficie mineralizada se produce la atracción de osteoclastos circulantes procedentes de los vasos próximos. 3 Fase de reabsorción: Seguidamente, los osteoclastos comienzan a disolver la matriz mineral y a descomponer la matriz osteoide. Este proceso es acabado por los macrófagos y permite la liberación de los factores de crecimiento contenidos en la matriz, fundamentalmente TGF-β (factor transformante del crecimiento β), PDGF (factor de crecimiento derivado de las plaquetas), IGF-I y II (factor análogo a la insulina I y II). 4 Fase de formación: Simultáneamente en las zonas reabsorbidas se produce el fenómeno de agrupamiento de preosteoblastos, atraídos por los factores de crecimiento que se liberaron de la matriz que actúan como quimiotácticos y además estimulan su proliferación. Los preosteoblastos sintetizan una sustancia cementante sobre la que se va a adherir el nuevo tejido y expresan BMPs (proteínas morfogenéticas óseas), responsables de la diferenciación. A los pocos días, los osteoblastos ya diferenciados van a sintetizar la sustancia osteoide que rellenará las zonas horadadas. 5 Fase de mineralización: A los 30 días del depósito de osteoide comienza la mineralización, que finalizará a los 130 días en el hueso cortical y a 90 días en el trabecular. Y de nuevo, empieza la fase quiescente o de descanso.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 58 4.1.4 Osteoporosis Figura 4.7 Hueso sano a la izquierda y hueso osteoporótico a la derecha La osteoporosis es una enfermedad esquelética que produce una reducción de la resistencia ósea, que predispone a un aumento de riesgo de fracturas. El hueso se vuelve más poroso, con más huecos en su interior, aumentando el número y el tamaño de las cavidades o celdillas que existen en su interior. El hueso pierde características mecánicas, de esta manera los huesos se hacen más frágiles, resisten peor los golpes y se rompen con mayor facilidad. La osteoporosis se denomina epidemia silenciosa porque no manifiesta síntomas hasta que la pérdida de hueso es tan importante como para que aparezcan fracturas, y esto habitualmente ocurre muchos años después de la menopausia. Sin embargo, la osteoporosis puede afectar a cualquier persona, incluidos niños y adolescentes, varones a cualquier edad y mujeres premenopáusicas. En concreto, en España, aproximadamente 2 millones de mujeres padecen osteoporosis, con una prevalencia en la población postmenopáusica del 25% (1 de cada 4). Se estima que esta enfermedad es la causante de unas 25.000 fracturas cada año. Aproximadamente 1 de cada 3 mujeres y 1 de cada 5 hombres mayores de 50 años sufrirá una fractura osteoporótica en su vida restante (Sociedad Española de Reumatología, 2014).
Capítulo 4: El hueso e injertos óseos 59 4.1.4.1 Clasificación La osteoporosis se puede clasificar atendiendo a sus causas (etiología) o a sus consecuencias (pérdida ósea). 4.1.4.1.1 Segúnsuetiología Atendiendo a las causas que la producen, la osteoporosis puede clasificarse en primaria o involutiva y secundaria. Primaria o involutiva Se trata del tipo más frecuente de osteoporosis. Este diagnóstico se establece cuando, tras evaluar al paciente, no se encuentra la causa que la provoca. A su vez, la osteoporosis primaria puede categorizarse como juvenil, postmenopáusica, relacionada con la edad e idiopática (origen desconocido). Secundaria Se diagnostica osteoporosis secundaria cuando la pérdida de masa ósea es causada por otra enfermedad o por el uso de fármacos en particular. 4.1.4.1.2 Segúnlapérdidademasaósea Dependiendo de los resultados que se obtengan en la densitometría ósea, puede realizarse la siguiente clasificación: Normal. Cuando la densidad mineral ósea es superior a -1 de la desviación estándar en la escala T. Osteopenia. Cuando la densidad mineral ósea se encuentra entre -1 y -2.5 de desviaciones estándares en la escala T. La osteopenia no se incluye dentro de la osteoporosis y en general no precisa tratamiento con fármacos.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 60 Osteoporosis. Si la densidad mineral ósea es inferior a -2.5 desviaciónes estándares en la escala T. Osteoporosis establecida. Cuando existe osteoporosis y ésta ha ocasionado una fractura. La escala T hace referencia a la media de densidad ósea de la población sana del mismo sexo y de 20 años de edad. Figura 4.8 Gráfica de diagnóstico en función de la masa ósea 4.2 Injertoóseo Es una cirugía para colocar hueso nuevo o sustitutos óseos dentro de los espacios ubicados alrededor de un hueso roto o de defectos óseos. 4.2.1 Mecanismosbiológicos El injerto de hueso es posible porque el tejido óseo tiene la capacidad de regenerarse. En la medida que el hueso nativo crece, el material de injerto será
Capítulo 4: El hueso e injertos óseos 61 reemplazado, resultando la región totalmente integrada de hueso nuevo. Los mecanismos biológicos que proveen una base para la integración del injerto óseo son osteoconducción, osteoinducción, osteopromoción y osteogénesis (Tortolini et al. 2012). 4.2.1.1 Osteogénesis La osteogénesis se produce cuando los osteoblastos vitales procedentes del material de injerto óseo sintetizan hueso nuevo a partir de células derivadas del injerto o del huésped, junto con el crecimiento del hueso generado a través de los otros dos mecanismos. 4.2.1.2 Osteoinducción La osteoinducción es un proceso que estimula la osteogénesis, y consiste en la estimulación de las células osteoprogenitoras, que son reclutadas a la zona receptora y alrededores y son inducidas a diferenciarse en osteoblastos, que luego empiezan la formación de hueso nuevo. La diferenciación y el reclutamiento son modulados por factores de crecimiento derivados de la matriz del injerto, cuya actividad es estimulada al extraer el mineral óseo. El tipo más estudiado de los mediadores celulares osteoinductivos son las proteínas morfogenéticas óseas (POM), factor de crecimiento derivado de las plaquetas, interleuquinas, factor de crecimiento fibroblástico, factores de crecimiento pseudoinsulínico, factores estimuladores de las colonias de granulocitos-macrófagos (Zárate-Kalfópulos et al. 2006). Los materiales osteoinductivos pueden hacer crecer hueso en la zona donde normalmente no se encuentra.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 62 4.2.1.3 Osteoconducción La osteoconducción se produce cuando el material de injerto óseo provee un ambiente y una estructura para el crecimiento de hueso nuevo que se reproduce a partir del hueso nativo. Este andamiaje permite la formación de hueso nuevo mediante un modelo predecible, determinado por la biología del injerto y el entorno mecánico de la interfase huésped-injerto. Los osteoblastos parten desde el margen del defecto que se ha injertado y utilizan el material de injerto óseo como un marco para difundir y generar hueso nuevo. Un material de injerto óseo que sea osteoconductivo - osteoinductivo no sólo servirá como un andamio para los osteoblastos que existan actualmente, sino que también provocan la formación de nuevos osteoblastos, y teóricamente, la promoción de una integración más rápida del injerto. 4.2.1.4 Osteopromoción La osteopromoción se define como la capacidad para inducir regeneración ósea mediante la utilización de guías físicas. El objetivo de la osteopromoción es guiar la formación de hueso sano necesario y suficiente para cubrir los defectos óseos. La osteopromoción implica la mejora de la osteoinducción sin la posesión de propiedades osteoinductivas. En ocasiones se ha de acudir a membranas de regeneración ósea, que actúan como barrera, frente a los tejidos blandos, que tienen una capacidad de proliferación mayor. En estos casos la osteopromoción consiste en el sellado por medios físicos de un espacio anatómico, para impedir que otros tejidos invadan el coagulo óseo e interfieran con la regeneración ósea. 4.2.2 Tiposyfuentesdetejidos Los injertos óseos se encuentran disponibles en muchas preparaciones, como matriz ósea desmineralizada, hueso esponjoso fragmentado, injertos corticales y
Capítulo 4: El hueso e injertos óseos 63 corticoesponjosos, segmentos de hueso y osteocartilaginosos complejos (Finkemeier 2002). 4.2.2.1 Autoinjerto El injerto óseo autólogo consiste en la utilización de hueso obtenido a partir del mismo individuo que recibe el injerto. Puede ser cosechado de los huesos no esenciales, como el de la cresta ilíaca, o más comúnmente en cirugía oral y maxilofacial, de la sínfisis mandibular. 4.2.2.2 Aloinjerto El aloinjerto óseo, al igual que el hueso autólogo, se deriva de los seres humanos, la diferencia es que el aloinjerto se obtiene de una persona que no es el receptor del injerto. Hay tres tipos de aloinjerto de hueso disponible: Fresh o hueso fresco congelado. Freeze secado aloinjerto óseo (FDBA). Hueso liofilizado desmineralizado aloinjerto (DFDBA). 4.2.2.3 Isoinjerto El injerto óseo isoinjerto consiste en la utilización de hueso obtenido a partir de un gemelo monocigótico del individuo que recibe el injerto. Puede ser cosechado de los huesos no esenciales, como el hueso de la cresta ilíaca, o más comúnmente en cirugía oral y maxilofacial, de la sínfisis mandibular. De forma muy semejante a un auto injerto pero aprovechando la presencia de un gemelo monocigótico.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 70 Para esto ya existen las mallas metálicas sujetas por cerclajes, por tornillos e incluso por una combinación de cerclajes y tornillos. Pero las mallas presentan problemas con los cerclajes, porque deben rodear la tibia proximal y para ello es necesario abordar la parte posterior de la epífisis proximal de la tibia, donde se encuentran en el sistema sanguíneo y nervioso de la zona. Con los tornillos en muchas ocasiones no hay suficiente hueso sano disponible para su fijación, pues muchas de estas lesiones óseas presentan un déficit cavitario importante. La RK-Plate plantea una solución novedosa. El objetivo principal de la RKPlate es la contención del injerto óseo en defectos óseos periprotésicos Tipo 2A del platillo medial con defecto de contención, y déficit de cortical en el segmento anteromedial de la epífisis proximal de la tibia. Como objetivo secundario pero no menos importante, se condiciona la implantación de la RK-Plate al uso de tornillos para su fijación, evitando los cerclajes. Se puede cumplir con esta condición porque es capaz de transmitir parte del empuje del aloinjerto desde la epífisis hacia la metáfisis, de la zona más dañada a la en principio zona más sana del hueso. Por su morfología y funcionalidad la RK-Plate está a medio camino entre la flexibilidad de una malla y la rigidez de una placa. Por último, con la RK-Plate se reducirán los tiempos de intervención quirúrgica, es decir, los tiempos de quirófano y por tanto los costes totales de la artroplastia. Aunque el coste de la RK-Plate sea mayor que el de una malla equivalente.
71 CAPÍTULO 5 5 Materiales y métodos 5.1 Introducción En este apartado vamos a enumerar y describir todos aquellos materiales que se han utilizado en la realización del presente trabajo, así como las metodologías de uso de los mismos: El hueso artificial, razón de uso y sus características. Modelos Sawbones y modelos usados en este trabajo. Placa de contención ósea, RK-Plate. Descripción y características. Tipos de ensayos. Enumeración y descripción de los mismos. Equipos de ensayo e instrumental utilizado. Descripción y características. Software de tratamiento de datos.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 72 5.2 Modelohuesoartificial(Sawbones) El uso de huesos procedentes de cadáveres ha sido y es frecuente en la investigación en el campo de la biomecánica. Sin embargo, esa práctica lleva asociadas una serie de complicaciones entre las que destacan las siguientes: Las variaciones, tanto dimensionales como de propiedades mecánicas, de los huesos de diferentes personas ha dificultado la investigación y normalmente se necesitan grandes muestras para obtener resultados significativos. Siendo, por ejemplo, la variación dimensional entre distintos fémures reales mayor del 100%, esto implica que para tener un intervalo de confianza del 95% serían necesarios varios cientos de huesos (Cristofolini et al. 1996, 525-535). Es difícil disponer de huesos reales tanto por las dificultades puestas por las regulaciones legales como por las escasas donaciones. El manejo, conservación y preparación de los huesos cadavéricos son tareas complicadas y sujetas a protocolos estrictos. Los huesos auténticos son difíciles de conservar en condiciones ambientales reales, por lo que se degradan con el tiempo variando sus propiedades mecánicas. Valorando estos inconvenientes, se estudió fabricar réplicas artificiales, que pudieran reproducir el comportamiento mecánico de los huesos reales de la forma más fiel posible (Elfar et al. 2014). En tal sentido dirigió sus trabajos Pacific Research Laboratories (Vashon Island, WA, USA), que comercializa bajo la marca Sawbones, diferentes modelos que intentan reproducir lo más fiel posible el comportamiento del hueso real. Desde la primera generación (1987) hasta la actual cuarta generación. Estos huesos artificiales han sido validados en numerosos estudios (Heiner et al. 2001, Heiner 2008, Gardner et al. 2010, Elfar et al. 2014). 5.2.1 Huesosano Para realizar los estudios sobre hueso sano, no afectado por la osteoporosis u otro defecto microestructural que afecte a sus propiedades mecánicas, se dispone de
Capítulo 6: Resultados 73 toda una serie de los principales huesos del cuerpo humano, incluso en algunos casos de varias tallas. En este trabajo se ha utilizado la tibia izquierda mostrada en la Figura 5.1. Figura 5.1 Tibia Sawbones En este trabajo se ha utilizado la tibia de 4ª generación, que según el propio fabricante son “Huesos compuestos que están diseñados para simular el comportamiento físico de un hueso humano, proporcionando una alternativa para los huesos de cadáver en las pruebas y la investigación. El comportamiento mecánico del material óseo compuesto cae dentro de la gama de especímenes cadavéricos. Los huesos compuestos han mostrado significativamente menor variabilidad en las pruebas de comparación con muestras de cadáver para todos los regímenes de carga, ofreciendo un banco de pruebas mucho más fiable. Otras de las ventajas de las pruebas con huesos compuestos, incluyen un ilimitado tamaño de las muestras sin especiales requisitos de manipulación o preservación”. En la Figura 5.2 se muestra las dimensiones del modelo que se ha utilizado, que corresponde a un hombre de estatura media de 175 cm de altura y 84 kg de peso:
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 74 Figura 5.2 Tibia - #3401 - Tamaño medio izquierda Propiedades de los materiales: Hueso cortical: Resina epóxica reforzada con fibra corta de vidrio Densidad Tracción Compresión Límite Módulo elástico Límite Módulo elástico g/cc MPa GPa MPa GPa 1.64 106 16.0 157 16.7 Propiedades del material basadas en ASTM D-638 y D-695 (Sawbones Europe 2009) Tabla 5.1 Características corticales. Tibia Sawbones 4ª generación Hueso trabecular: Espuma rígida de poliuretano. Compresión Densidad Límite Módulo elástico g/cc MPa MPa Sólido 0.27 6.0 155 Propiedades del material basadas en ASTM D-1621 (Sawbones Europe 2009) Tabla 5.2 Características trabeculares. Tibia Sawbones 4ª generación D
Capítulo 6: Resultados 75 5.2.2 Huesoosteoporótico Sin embargo, para los estudios del comportamiento del hueso osteoporótico no se dispone de modelos de formas geométricas realistas. Para estos estudios solo se dispone de bloques, barras y tubos que permiten realizar estudios de comportamiento local. Para todos ellos se cumple con la Norma ASTM F-1839-08 (2009) “Standard specification for rigid polyurethane foam for use as a standard material for testing orthopedic devices and instruments”. A continuación pasaremos a describir la constitución de los bloques de ensayo, así como las características de los materiales. Los bloques se componen de una lámina exterior que simula la capa cortical del hueso y un prisma base que simula la masa trabecular del hueso. La lámina se adhiere al prisma formando el bloque de ensayo. Si tiene una sola capa servirá para realizar ensayos corticales y si tiene dos capas, en caras opuestas del prisma base, servirá para realizar ensayos bicorticales. 5.2.2.1 Lámina Las láminas representadas en las Figura 5.3 y Figura 5.4 simulan la parte cortical del hueso. Figura 5.3 Lámina de resina epóxica reforzada con fibra corta de vidrio
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 76 Figura 5.4 Lámina de espuma sólida rígida de poliuretano Hueso cortical Densidad Compresión Tracción Cortadura Límite Módulo E Límite Módulo E Límite Módulo G Material Código pcf g/cc MPa MPa MPa MPa MPa MPa SRPFS 1522-07 40 0.64 31 759 19 1000 11 130 SRPFS 1522-08 50 0.80 48 1148 27 1469 16 178 SRPFS 1522-13 15 024 4.9 123 3.7 173 2.8 33 SRPFS 1522-14 20 0.32 8.4 210 5.6 284 4.3 49 SFFES 3401-02 102 1.64 157 16 700 106 16 000 --- SFFES 3401-03 102 1.64 157 16 700 106 16 000 --- SFFES: Lámina de resina epóxica reforzada con fibra corta de vidrio SRPFS: Lámina de espuma sólida rígida de poliuretano (Sawbones Europe 2009) Tabla 5.3 Características corticales de las láminas Sawbones 5.2.2.2 Bloquebase(Prismabase) Los prismas base representados en la Figura 5.5 simula la parte trabecular del hueso.
Capítulo 6: Resultados 77 Figura 5.5 Bloque de espuma celular Hueso trabecular Densidad Compresión Tracción Cortadura Límite Módulo E Límite Módulo E Límite Módulo G Material Código pcf g/cc MPa MPa MPa MPa MPa MPa SRPFB 1522-01 10 0.16 0.60 16 1.0 32 0.59 7.1 SRPFB 1522-04 30 0.48 18 445 12 592 7.6 87 OCRF 1522-505 5.5 0.09 0.11 6.2 - - - - OCRF 1522-507 7.5 0.12 0.28 18.6 - - - - CRPFB 1522-10 10 0.16 2.3 23.0 Tamaño de celda: 0.5 - 2.0 mm SRPFB: Bloque de espuma sólida rígida de poliuretano OCRF: Espuma rígida de célula abierta CRPFB: Bloque de espuma rígida de celular (Sawbones Europe 2009) Tabla 5.4 Características trabeculares de los bloque Sawbones 5.2.2.3 Bloques Para poder simular los efectos de la osteoporosis desde el punto de vista mecánico lo que necesitamos es tener un material que tenga las características resistentes del hueso osteoporótico. Es decir merma de su elasticidad y sobre todo pérdida de su resistencia mecánica (Dickenson et al. 1981). Cuando queremos utilizar un material artificial, como es el caso de este trabajo, se puede optar por buscar materiales que tengan características inferiores al material
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 78 que simula el hueso sano, o bien, reducir el espesor de la capa que simula al hueso cortical como hacen algunos autores (Sommers et al. 2007). En este trabajo se han tomado ambas posibilidades, por un lado reducir el espesor de la cortical, para simular las menores pérdidas de características del hueso, como son los casos osteopenia u osteoporosis incipiente. Y por otro se ha optado por corticales de poliuretano para simular unas osteoporosis establecidas o severas. A continuación se detallan las configuraciones de bloques utilizados en el presente trabajo. Estos bloques tienen una base de 130 mm × 180 mm, la altura de los bloques se obtiene al sumar el conjunto de los espesores de lámina y prisma base. El la Figura 5.6 se muestra uno de estos bloques. Estas configuraciones se han elegido a partir de las experiencias referidas en diferentes publicaciones (Chen et al. 2014, Calvert et al. 2010; Patel et al. 2008). Figura 5.6 Bloque laminado Cortical (lámina) Trabecular (prisma) Designación del bloque Código Espesor Composición Código Espesor sw329-b112 3401-03 4 mm Cortical 1522-04 40 mm sw330-b113 3401-02 3 mm Cortical 1522-01 40 mm sw331-b121 1522-07 3 mm Cortical 1522-507 40 mm sw333-b124 1522-14 3 mm Cortical 1522-505 40 mm sw334-b125 1522-13 3 mm Cortical 1522-505 40 mm sw-b201 1522-08 3 mm Bicortical 1522-10 40 mm sw-b211 1522-07 3 mm Bicortical 1522-507 40 mm sw-b221 1522-14 3 mm Bicortical 1522-505 40 mm Tabla 5.5 Combinaciones cortical - trabecular utilizadas
Capítulo 6: Resultados 79 5.3 RK‐Plate La RK-PLATE es una placa de contención para defectos óseos tibiales periprotésicos. Ha sido diseñada por el Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Canarias en colaboración con el Dr. Guillermo de la Barreda López (Servicio de Cirugía Ortopédica y Traumatológica del Hospital Universitario de Canarias). 5.3.1 Introducción El Dr. Guillermo de la Barreda planteó a la Unidad de Ingeniería Médica del Instituto Tecnológico de Canarias, que luego fue transformada a Departamento de Ingeniería Mecánica en el seno del mismo Instituto, la necesidad de una placa de contención para defectos óseos tibiales periprotésicos, que fuera capaz de sustituir las mallas metálicas actualmente utilizadas. Además los defectos óseos no contenidos más frecuentes observados se encontraban en las zonas medial y anteromedial del plato tibial. 5.3.2 AntecedentesULPGC Dadas las relaciones de colaboración entre el Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Canarias (ITC) y el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC), en el año 2002 se propuso la idea a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de esta Universidad, la idea para el desarrollo de un proyecto fin de carrera que cubriera estas necesidades. En junio de 2003 se presentó el Proyecto Fin de Carrera “Placa de osteosíntesis de contención ósea para defectos óseos tibiales en la reprótesis de rodilla” realizado por el alumno D. Eduardo Rivero Déniz, tutorizado por D. Oscar Martel Fuentes (Profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la ULPGC) y
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 86 canal medular para poder alojar el cono centrador de la mordaza como se muestra en la Figura 5.12, respetando la línea de carga de la tibia en el montaje,. Figura 5.12 Tibia. Aumento canal medular El modelo se centra mediante un cono centrador, que entra en el canal medular de la tibia. Conjuntamente se sujeta la tibia a la mordaza mediante tres tornillos concéntricos roscados en la cazoleta cilíndrica de la mordaza, apoyándose sobre la base de la misma. Para evitar el deslizamiento y garantizar una mejor sujeción de estos tornillos de fijación con la tibia, se ha adherido alrededor de la tibia una cinta textil flexible según se muestra en la Figura 5.17. Con ello ya tenemos la tibia preparada para montar el resto de elementos para los ensayos, según se muestra en la Figura 5.13. Esto es, ahora sólo queda montar la placa RK-Plate sobre la tibia con sus tornillos, implantar el símil de injerto óseo y
Capítulo 6: Resultados 87 colocar el plato tibial de la prótesis para tener el espécimen de ensayo completamente ensamblado, Figura 5.17. Figura 5.13 Tibia preparada para ensayo Para el ensayo se utilizó una prótesis de rodilla Zimmer rescatada, la cual se muestra en la Figura 5.14. Figura 5.14 Prótesis de rodilla El injerto óseo se simuló con resina epóxica Ceys - madera, por el excesivo coste de los injertos. En el seno de la resina se dejaron huecos pasatornillos mediante pequeños tubos plásticos para suprimir la interacción con los tornillos (Figura 5.15).
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 88 Figura 5.15 Espécimen completo preparado para ensayar La placa se unió a la tibia modelo mediante dos tornillos corticales de Ø 4.5 mm y taladro de Ø3.2 mm, con apriete de 2.4 N·m. Las aletas de la placa RK-Plate se unieron a la tibia modelo mediante dos tornillos de Ø2.7 mm y broca Ø 2.5 mm para posicionamiento de aletas y con un par máximo de 1.0 N·m; estos tornillos están situados en los taladros B13 (aleta proximal) e I2 (aleta distal). En caso de llegar el apriete a este máximo par de 1.0 N·m y no conseguir poner la aleta en su posición, el tornillo se sustituirá por un cerclaje. El tornillo situado en el taladro B13 sería sustituido por un cerclaje anclado en los taladros B12 y·B13 pasando por el taladro A3, y el tornillo situado en el taladro I2 sería sustituido por un cerclaje anclado en los taladros I2 y·J2 pasando por el taladro C1. En la Figura 5.16 se indican las referencias de los taladros mencionados.
Capítulo 6: Resultados 89 Figura 5.16 RK-Plate. Identificación de taladros El cerclaje será Synthes cable de acero para cerclaje de Ø 1.7 mm. La tensión del cable de cerclaje no deberá ser superior a 50 kg, según catálogo (Synthes GmbH 2011). El cable se tensó mediante un tensacables manual Synthes. Figura 5.17 Tibia completa preparada para ensayo
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 90 5.4.1.1 Mordazasparaensayodetibia Ahora pasamos a describir someramente la mordaza de sujeción de la tibia así como el montaje de la tibia en la mordaza y del conjunto en la máquina. Esta mordaza ha sido desarrollada por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de las Palmas. Consta de una subbase y una base, estas se unen entre sí por medio de cuatro tornillos y sirve para que mediante cuatro taladros ranurados se pueda simular descentramiento, aunque esta función no se ha utilizado en el presente trabajo Figura 5.18. Figura 5.18 Mordaza para ensayo de tibia La subbase une el conjunto al actuador de la máquina de ensayo mediante un acoplamiento con pasador de bloqueo. Además, se dispone de una serie de conos centradores de varios diámetros para el centrado de distintos especímenes, como el mostrado en la Figura 5.19.
Capítulo 6: Resultados 91 Figura 5.19 Cono centrador La base tiene soldada de forma centrada una cazoleta cilíndrica. A su vez esta cazoleta sustenta los tres tornillos de sujeción, orientados radialmente hacia el centro de la mordaza como se muestra en la Figura 5.20. Figura 5.20 Cazoleta con los tornillos de fijación En el centro de la base hay un taladro roscado en el que se pueden roscar los diferentes conos centradores de los que se disponen (Figura 5.21).
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 92 Figura 5.21 Taladro para centrador y tornillos de fijación El cono centrador junto con los tres tornillos de fijación, centran y fijan el espécimen de ensayo (Figura 5.22). Figura 5.22 Cazoleta con centrador colocado
Capítulo 6: Resultados 93 El sistema tibia - RK-Plate - injerto - plato tibial queda montado en la mordaza según se muestra en la Figura 5.23. Figura 5.23 Tibia montada en mordaza El montaje en la máquina de ensayo se muestra en la Figura 5.24, donde se puede observar que se ha añadido una pastilla de polietileno entre el plato tibial y la mordaza de compresión para permitir una correcta transmisión de la carga y evitar la erosión del plato tibial de la prótesis.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 94 Figura 5.24 Tibia montada en máquina 5.4.2 Ensayosestáticossobrelatibia Para la tibia modelo los ensayos estáticos se han realizado aplicando una rampa de carga hasta alcanzar los 3 000 N, a razón de 50 N/s. 5.4.3 Ensayosafatigasobrelatibia Los ensayos a fatiga se realizaron sometiendo al sistema placa - hueso a 50 000 ciclos de carga, con una distribución de carga senoidal de frecuencia 1 Hz, comprendidos en amplitud entre 250 N y 3 050 N (1 650 N ±1 400 N).
Capítulo 6: Resultados 95 5.4.4 Ensayossobrebloques Para los ensayos sobre huesos osteoporóticos, como dijimos, no existen modelos realistas por lo que tenemos que acudir a los ensayos sobre bloques. Para los ensayos sobre bloques se ha tratado de desacoplar el trabajo de las aletas del de la base, ya que por la geometría de la RK-Plate es imposible realizar medida conjunta alguna si no es sobre el propio modelo de tibia, que para estos casos no existe. Este desacople conlleva la necesidad de medir tres fuerzas: Fuerza que actúa en el tornillo de la aleta proximal. Fuerza que actúa en el tornillo de la aleta distal. Fuerza que actúa sobre el resto de la RK-Plate (sobre la base). Estas fuerzas se han medido una a una mediante una célula de carga externa, según se explica en los siguientes apartados. 5.4.4.1 Conversióndeensayosenelmodelotibiaaensayosenelmodelobloque Para poder trabajar sobre los modelos de bloque necesitamos saber qué carga soporta el tornillo de cada aleta, así como el resto de la RK-Plate (base de la RKPlate). Para ello se realizarán tres mediciones: Fuerza soportada por el tornillo de la aleta proximal: Para realizar esta medida se retira el tornillo de la aleta proximal y mediante un “empujador” externo se mantiene a la aleta en su posición de carga, y con la célula de carga externa se mide este empuje. Fuerza soportada por el tornillo de la aleta distal:Para realizar esta medida se retira el tornillo de la aleta distal y mediante un “empujador” externo se mantiene a la aleta en su posición de carga, y con la célula de carga externa se mide este empuje. Empuje que soporta la RK-Plate: Para realizar esta medida se mantienen todos los tornillos en su lugar y mediante un “empujador” externo se mantiene a las dos aletas en sus posiciones originales, y con la célula de carga externa se mide este empuje.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 102 Figura 5.31 RK-Plate preparada con el tornillo empujador en la aleta proximal 5.4.4.1.3.3 Situaciónaletadistal Se realiza el montaje de la RK-Plate sobre la tibia modelo, pero en esta ocasión no se coloca el tornillo que soporta a la aleta distal en el taladro I2. En su lugar se coloca un tornillo M2.5, con la cabeza orientada hacia la tibia y el extremo dirigido hacia la célula de carga externa (montaje de aleta distal). En esta situación, con el indicador MDA se miden las posiciones en los taladros B14, J2 y A8 (pB14D, pJ2D y pA8D). Figura 5.32 RK-Plate preparada con el tornillo empujador en la aleta distal
Capítulo 6: Resultados 103 5.4.4.2 Procedimientoparamedirlafuerzasobreeltornillodelaaletaproximal Para medir la fuerza que actúa sobre el tornillo de la aleta proximal, el procedimiento se divide en tres fases, una fase por cada uno de los tres puntos de medida de los desplazamientos en la RK-Plate. Todas las fases con un mismo desarrollo procedimental. Fase A: Determinación de la fuerza de empuje sobre el tornillo proximal midiendo los desplazamientos en el taladro B14. Este es el empuje EAlPB14 Fase B: Determinación de la fuerza de empuje sobre el tornillo proximal midiendo los desplazamientos en el taladro J2. Este es el empuje EAlPJ2 Fase C: Determinación de la fuerza de empuje sobre el tornillo proximal midiendo los desplazamientos en el taladro A8. Este es el empuje EAlPA8 Para este ensayo se toma como fuerza de empuje sobre la aleta proximal (EAlP) la media aritmética de las tres fuerzas medidas (Ecuación 5.1): 3 Ecuación 5.1 Fuerza sobre el tornillo en ensayo Fase A: Determinación del empuje EAlPB14 1 Se determina la altura a la que debe situarse el puente de la mordaza fija y se coloca en la posición correspondiente. 2 Se enciende y configura la máquina para un ensayo estático con tibia. 3 Se coloca y asegura la mordaza para la tibia en el enganche del vástago del actuador. 4 Se acopla la mordaza de compresión en el puente fijo de la máquina. 5 Se coloca y fija al bastidor de la máquina de ensayos la célula de carga externa, orientando su taladro de enganche hacia la línea de carga de la máquina.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 104 6 Se coloca, centra y fija el conjunto de espécimen (tibia – RK-Plate – injeto – plato de prótesis). En este momento se orienta la tibia para el correcto posicionamiento del tirador de ensayo en la RK-Plate. 7 Se comprueba la alineación del tornillo de la aleta proximal con respecto a la célula de carga. 8 Se coloca entre el plato de la prótesis y la mordaza fija la pastilla de polietileno para ensayos. 9 Se coloca el indicador MDA, fijándolo a la plataforma de la mordaza, con el palpador en el taladro B14. 10 Se arranca el ensayo con una precarga a compresión de 50 N. 11 Se anota la medida del indicador MDA, ésta es la posición neutra pB14Ø. 12 Se prosigue con el ensayo y se programa una rampa de compresión hasta 3 000 N, a razón de 50 N/s. 13 Una vez terminada la rampa y parada la máquina, se registra la carga, el movimiento del plato tibial (ambas medidas dadas por la máquina) y la posición pB14O del taladro B14, medida suministrada por el indicador MDA. Ésta es la posición de referencia para el taladro B14. 14 Se retrae el palpador del indicador MDA. 15 Se descarga la máquina y se distancian las mordazas. 16 Se retira la pastilla de polietileno y el plato tibial. 17 Se remueve el tornillo de la aleta proximal. 18 Se retira el símil de injerto. 19 Se coloca un tornillo M2.5 en el taladro B13, con la cabeza plana orientada hacia la tibia y el extremo dirigido hacia la célula de carga externa. 20 Se coloca una arandela y una tuerca y se aprietan contra la RK-Plate. 21 Se devuelve el símil de injerto a su lugar. 22 En el extremo libre del tornillo que acabamos de poner se rosca un manguito de 10 mm de largo. 23 Se coloca el plato tibial de la prótesis.
Capítulo 6: Resultados 105 24 Se coloca entre el plato de la prótesis y la mordaza fija la pastilla de polietileno para ensayo. 25 Se coloca un tornillo entre el taladro de enganche de la célula de carga y el manguito de conexión del paso 22. Este tornillo llevará dos tuercas, una que bloqueará el movimiento del manguito y la otra que empujará contra la célula de carga, cargando a la aleta proximal. 26 Se arranca el ensayo con una precarga a compresión de 50 N. 27 Se vuelve a comprobar la alineación del tornillo de empuje con el taladro de enganche de la célula de carga externa. Si es necesario se reubica la célula de carga, la célula debe estar libre para poder moverla. 28 Se prosigue con el ensayo y se programa una rampa de compresión hasta 3 000 N, a razón de 50 N/s. 29 Una vez terminada la rampa y parada la máquina, se registra la carga, el movimiento del plato tibial (medidas dadas por la máquina) y la posición pB14P del taladro B14, medida suministrada por el indicador MDA. Ésta es la posición proximal para el taladro B14. 30 Se libera el palpador del indicador MDA, el cual debe volver a estar situado sobre el taladro B14. En caso contrario el ensayo queda invalidado. 31 En el tornillo de empuje, se gira la tuerca apretándola contra la célula de carga externa hasta conseguir pB14P = pB14O. Este empuje medido por la célula de carga externa, empuje bruto, será la fuerza que está soportando el tornillo de la aleta proximal para mantener la aleta en su lugar, EAlPB14bt. 32 Se descarga el sistema mediante una rampa a 50 N/s hasta los 50 N. 33 Se afloja el tornillo empujador hasta conseguir que la medida del desplazamiento mostrada por el indicador MDA coincida con la medida de la posición neutra pB14Ø. 34 La fuerza medida por la célula de carga será el empuje tara que soporta el tornillo proximal EAlPB14t. 35 Se determina el empuje sobre la aleta debido al injerto y a la carga sobre la tibia como la diferencia: EAlPB14 = EAlPB14bt - EAlPB14t. 36 Se termina de descargar el sistema y finaliza esta fase del ensayo.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 106 Fase B: Determinación del empuje EAlPJ2. Se repite el procedimiento de la fase A pero las medidas de desplazamiento se realizan sobre el taladro J2. Por tanto, basta con reubicar al indicador MDA sobre el taladro J2. Fase C: Determinación del empuje EAlPA8. Se repite el procedimiento de la fase A pero las medidas de desplazamiento se realizan sobre el taladro A8. Por tanto basta con reubicar al indicador MDA sobre el taladro A8. Nota. En todo momento se ha de respetar el posicionamiento del indicador MDA en cada fase. Cualquier variación invalidará la medida. 5.4.4.3 Procedimientoparamedirlafuerzasobreeltornillodelaaletadistal Para medir la fuerza que actúa sobre el tornillo de la aleta distal el procedimiento es totalmente paralelo al realizado para la aleta proximal con los cambios que a continuación se relacionan: Las actuaciones que se realizaron en el taladro B13 y tornillo correspondiente, ahora se realizarán en el taladro I2 El símil de aloinjerto que antes se extraía y se volvía a reintroducir para los cambios de tornillos ahora no se realizarán tales movimientos. En cambio se utilizará un tornillo más corto para el empujador, introduciéndolo por la parte baja de la aleta distal. Para ejercer la fuerza de empuje se utilizará una barra roscada en lugar del tornillo utilizado en los ensayos de la aleta proximal.
Capítulo 6: Resultados 107 5.4.4.4 ProcedimientoparamedirelempujeactuantesobrelaRK‐Plate Para medir el empuje sobre la RK-Plate es totalmente paralelo al realizado para la aleta proximal con los cambios que a continuación se relacionan: Los tornillos de las aletas no se removerán en ningún momento Por lo anterior no se moverá el aloinjerto en ningún momento Se actuará sobre la RK-Plate con el sistema empujador unido a los punto A6 y E4, en lugar del tornillo empujador que se utilizó en los procedimientos de las aletas 5.4.4.5 Cargasparaensayosenbloques En resumen para los ensayos en bloque se aplicaran las cargas y pares indicados en la Tabla 5.6 Par de apriete Fuerza Tornillos soportes de las aletas M2.5 Menor de 100 cN·m 105 N a extracción RK-Plate Mayor de 2.4 N·m 175 N ejercidos con el tirador situado en A6-E4 Tabla 5.6 Cargas para los ensayos en bloques 5.4.4.6 Mordazasparalosensayossobrebloques Para ensayar los bloques se ha aprovechado una mordaza guía lineal. A esta se le ha añadido dos perfiles angulares, sobre los que se deslizan los bloques para ubicarlos correctamente. Sobre estos perfiles se ha situado una chapa con bordes rigidizados y ventana central (Figura 5.33). Esta chapa con la ventana practicada servirá de apoyo al bloque cuando se someta la placa a tracción.
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 108 Figura 5.33 Mordaza para bloques El conjunto de los perfiles y la chapa aventanada se sitúan ladeados, de tal forma que la carga que se ejerza sobre la RK-Plate esté en la vertical de la mordaza de tracción de la máquina de ensayo (Figura 5.34). Figura 5.34 Detalle de montaje en la mordaza para bloques
Capítulo 6: Resultados 109 5.4.4.7 Preparacióndebloques Figura 5.35 Montaje de bloque Figura 5.36 Bloque montado en máquina
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 110 Los bloques para ensayos se han colocado en la mordaza de guía lineal originales, a la cual se le ha añadido los suplementos que se muestran en la figura para guiar el bloque, centrar la carga y ubicar la placa (Figura 5.35). Luego se coloca el conjunto en la máquina (Figura 5.36) En principio sobre cada bloque se pueden realizar diez ensayos. Se marcan los diez pares de taladros necesarios para realizar los diez ensayos posibles. Se van realizando según el orden del esquema representado en la Figura 5.37. El bloque queda dividido en diez zonas para otros tantos ensayos. 5º Ensayo 1er Ensayo 9º Ensayo 4º Ensayo 6º Ensayo 7º Ensayo 3er Ensayo 10º Ensayo 2º Ensayo 8º Ensayo Figura 5.37 Ubicación y orden de ensayos en cada bloque Con este orden se intenta evitar los efectos de los ensayos previos sobre el que se está realizando en cada momento. Si los resultados presentan diferencias superiores al 15% respecto de los anteriores se desecha el bloque y los resultados de ese ensayo. Previamente a los bloques se les realizan los taladros guía para los tornillos de la placa. Estos taladros forman un ángulo de 30º con la base de la RK-Plate, para evitar de esta forma el encuentro con el tallo de la prótesis, cuando la RK-Plate se implanta en la tibia. Para poder realizar estos taladros sin necesidad de utilizar una guía, se ha recurrido al taladro de columna con mesa orientable, Figura 5.38.
Capítulo 6: Resultados 111 Figura 5.38 Taladro de columna con mesa en posición para taladrado de bloques Figura 5.39 Orientación de la mesa del taladro
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 118 Figura 5.45 Máquina Universal Microtest EFH/5/FR 1) Marco de ensayos universal modelo EFH/5 (tracción/compresión) de 5 kN de capacidad dinámica con: - Bancada para fatiga, con alojamiento para servoactuador hidráulico y con posibilidad de fijaciones para accesorios de ensayo. - Marco de ensayos de 2 columnas. - Cabezal superior posicionable en altura con desplazamiento y bloqueo mecánico (manual). - Servoactuador hidráulico de 5 kN de capacidad (para 160 bares de presión) y recorrido de 100 mm, transductor de posición de 200 mm de rango incorporado. Acondicionador de señal incorporado en sistema SCM (sistema propio de la máquina). - Frecuencia máxima de trabajo esperada: 5 Hz. (Amplitudes de 5mm).
Capítulo 6: Resultados 119 - Transductor de fuerza extensométrico (célula de carga) de bajo perfil, tracción/compresión de 10 kN (estático) / 5 kN (dinámico) de capacidad para medida de fuerza. Acondicionador de señal incorporado en sistema SCM (sistema de control de la máquina de ensayos). 2) Grupo hidráulico modelo CHM-008 de 8 l/min de caudal máximo, bomba de engranajes (permite trabajar al actuador a frecuencia de 5 Hz con amplitudes de 10 mm. Presión regulable de 20 a 220 bares. Depósito de 70 litros (aluminio), nivel visual, termostato, motor 3 kW, filtro presión, válvula limitadora de presión, servoválvula con amplificador, manómetro e intercambiador de calor aire-aceite. 3) Sistema de medida y control por ordenador, multicanal. Incluye acondicionamiento de señales de captadores de fuerza / recorrido / deformación y software de control dinámico y adquisición de datos SCM4000, bajo entorno Windows. Este software dispone de: visualización de medidas en tiempo real (o indicaciones de pico a alta frecuencia), registro gráfico durante la ejecución de ensayos, control por fuerza o recorrido, generación de funciones de control: rampas (ascendentes/descendentes), ciclos (formas de onda: triangular, senoidal, cuadrada, ciclos definidos, etc) y secuencias de ensayo complejas reeditables (generador gráfico de secuencias de ensayo), configuración de canales de medida y control (fondo de escala, unidades, resolución de medida, parámetros PID de servocontrol, etc.) y registro de datos, visualización, configuración de parámetros de ensayo, etc. 4) Cuadro eléctrico con elementos de accionamiento y mando del sistema, accionables desde sistema de control. Mando eléctrico manual de elementos de grupo hidráulico (marcha/parada de grupo, puesta en presión, etc.) 5) Ordenador Pentium III-G850, HD1Tb, 4Gb RAM, monitor 15", ratón, teclado. 6) Conjunto de mordazas y accesorios necesarios para los diferentes ensayos de este trabajo. Algunos han sido diseñados y fabricados exprofeso para la correcta ejecución de ensayos. Con esta máquina se han realizado todos los ensayos de compresión estáticos y a fatiga. El equipo se encuentra ubicado en el Laboratorio de Biomecánica del Departamento de Ingeniería Mecánica (D.I.M.) de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (U.L.P.G.C.).
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 120 5.6.2 Medidordepar El medidor dinámico de par de apriete de tornillos sin contactos (Lorenz Messtechnik GmbH, Alfdorf, Alemania) es un equipo de precisión (0,1%) para medidas de par de apriete hasta un máximo de 15 N·m. Dispone de un dispositivo de lectura de señal digital sin contactos. Se alimenta con una fuente de 12 V trabajando en niveles TTL 0 ± 5 V. Se ha utilizado como calibrador del conjunto de atornilladoresdestornilladores. El equipo se encuentra ubicado en el Laboratorio de Biomecánica del DIM, ULPGC. Figura 5.46 Medidor de par Lorenz 5.6.3 Atornilladoresrápidosdinamométricos Dos atornilladores - destornilladores rápidos dinamométricos de ajuste mecánico por presión de resorte y embrague esférico radial.
Capítulo 6: Resultados 121 5.6.3.1 DestornilladordinamométricoRS‐609‐354 Figura 5.47 Destornillador RS - 609-354 Escalas Vernier de estilo "micrómetro" calibradas. El valor de torsión se ajusta fácilmente usando el collar de ajuste acanalado. Diseño de embrague esférico radial de precisión y leva. El mecanismo bidireccional indica cuándo se ha alcanzado el par establecido. Destornillador hexagonal en pulgadas. FormadelAccionadorHexagonal LongitudGlobal169mm Precisión±6% RangodePar 20→120Ncm TamañodelAccionador1/4plg TipoAjusterápido,menor 5.6.3.2 DestornilladordinamométricoRS‐547‐379 Figura 5.48 Destornillador RS - 547-379
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 122 Escalas Vernier de estilo "micrómetro" calibradas. El valor de torsión se ajusta fácilmente usando el collar de ajuste acanalado. Diseño de embrague esférico radial de precisión y leva. El mecanismo bidireccional indica cuándo se ha alcanzado el par establecido. Destornillador hexagonal en pulgadas. FormadelAccionadorHexagonal LongitudGlobal184mm Precisión±6% RangodePar1→6Nm TamañodelAccionador1/4plg TipoAjusterápido,estándar 5.6.4 Céluladecargaexterna Figura 5.49 Célula de carga UtilCell 200-S Célula de carga UtilCell modelo 200-S Capacidad máxima: 200 N Resolución: 0.1 N
Capítulo 6: Resultados 123 5.6.5 Otrosequiposeinstrumental A parte de los equipos descritos también se han utilizado los siguientes para la preparación de los especímenes de ensayo: Taladro de columna Rolitop de velocidad variable y mesa orientable. Sierra de arco manual GS. Taladro manual Black and Decker S3K3. Sierra oscilante ConMed Linvatec modelo Hall PowerPro 6125. Tensacables dinamométrico para cerclajes Synthes modelo 391.201. Indicador Mitutoyo Digimatic Absolute ID-U1025. Resolución: 0.01 mm. Pie de rey Mitutoyo – Digimatic 150. Resolución: ±0.02 mm. Inclinómetro RS-Starrett. Inclinómetro Fine-Tools. Sargento de sujeción Urko. Bases magnéticas Eclipse. Banco de mesa orientable Ficesa. Mordazas estándar. Mordazas customizadas para ensayos de bloques. Mordazas customizadas para ensayos de cilindros, tibias y fémures. Herramientas y utensilios varios. 5.7 Softwaredetratamientodedatos Los resultados de los diferentes ensayos y estudios, son ordenados en tablas, donde también se reflejan las medias y desviaciones típicas y otros estadísticos. En algunos casos ha sido necesario el tratamiento de datos para obtener otras variables que no han sido extraídas de forma directa de los ensayos, como es el caso de las rigideces. En muchos casos se han editado gráficos para una mejor compresión de los
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 124 resultados. Se ha utilizado el software Microsoft Excel 2010 (Microsoft ® Corporation, USA). Con este software se han utilizado las funciones estadísticas que incorpora el mismo y las no disponibles se han implementado, como es el caso de la prueba de normalidad de Anderson-Darling, las pruebas de homocedastididad de Levene y la de Brown-Forsythe, el análisis de la varianza (ANOVA) y la prueba de comparaciones múltiples de Tukey 5.7.1 Verificacióndenormalidad.PruebadeAnderson‐Darling El estadístico de Anderson-Darling mide como de bien un conjunto de datos siguen una distribución específica. Para un conjunto de datos y una distribución específicos, mientras mejor se ajuste la distribución a los datos, menor será este estadístico. En el caso de este trabajo, se esperan que todas las distribuciones hayan sido extraídas de unas poblaciones cuyas distribuciones sean normales. Hipótesis Las hipótesis para la prueba de Anderson-Darling son: H0: Los datos siguen una distribución normal (μ, σ) H1: Los datos no siguen una distribución normal (μ, σ) Estadístico de Prueba 1 21 lnln1 Donde: n: Número de observaciones F(Y): Es la distribución de probabilidades acumulada normal con media y varianza especificadas a partir de la muestra
Capítulo 6: Resultados 125 Yi: Son los datos obtenidos en la muestra, ordenados de menor a mayor. Regla de Decisión La hipótesis nula se rechaza con un nivel de significancia α si A2 es mayor que el valor critico . Aunque la prueba de Anderson – Darling puede ser aplicada a cualquier distribución, no se dispone de tablas para todos los casos. A continuación se presenta la Tabla 5.7 para probar el ajuste a una distribución normal. α 0.1 0.05 0.025 0.01 0.631 0.752 0.873 1.035 Tabla 5.7 Valores críticos para distribución normal en la prueba de Anderson-Darling 5.7.2 Verificacióndelahomocedasticidad.PruebadeBrown‐Forsythe El estadístico de Brown-Forsythe evalúa la igualdad de las varianzas para una variable calculada para dos o más grupos. Algunos procedimientos estadísticos comunes asumen que las varianzas de las poblaciones de las que se extraen diferentes muestras son iguales. La prueba de Brown-Forsythe evalúa este supuesto tomando como referencias las medianas de los i-esimo grupos correspondientes. Hipótesis Las hipótesis para la prueba de Brown-Forsythe son: H0: Las varianzas poblacionales son iguales H1: Las varianzas poblacionales no son iguales Estadístico de Prueba ∑ 1∑ ∑ 1
Análisis del éxito mecánico de una placa de osteosíntesis por contención en función de la incidencia de la osteoporosis 126 1 Donde: W: Resultado de la prueba k: Número de los diferentes grupos a los que pertenecen los casos muestreados n: Es el número total de casos en todos los grupos ni: Es el número de casos en el grupo i Yij: Es el valor de la variable que medimos para el j-ésimo caso del i-esimo grupo : Mediana del iésimo grupo Regla de Decisión La hipótesis nula se rechaza con un nivel de significancia α si W>Fα, k-1, n−k, siendo este último el valor crítico superior de la distribución F con k-1 grados de libertad en el numerador y n-k grados de libertad en el denominador. 5.7.3 Verificacióndelahomocedasticidad.PruebadeLevene El estadístico de Levene evalúa la igualdad de las varianzas para una variable calculada para dos o más grupos. Algunos procedimientos estadísticos comunes asumen que las varianzas de las poblaciones de las que se extraen diferentes muestras son iguales. La prueba de Levene evalúa este supuesto tomando como referencias las media de los i-esimo grupos correspondientes Hipótesis Las hipótesis para la prueba de Levene son: H0: Las varianzas poblacionales son iguales H1: Las varianzas poblacionales no son iguales Estadístico de Prueba
Capítulo 6: Resultados 127 ∑ 1∑ ∑ 1 1 Donde: W: Resultado de la prueba k: Número de los diferentes grupos a los que pertenecen los casos muestreados n: Es el número total de casos en todos los grupos ni: Es el número de casos en el grupo i Yij: Es el valor de la variable que medimos para el j-ésimo caso del i-ésimo grupo : Media del i-ésimo grupo Regla de Decisión La hipótesis nula se rechaza con un nivel de significancia α si W>Fα, k-1, n−k, siendo este último el valor crítico superior de la distribución F con k-1 y n-k grados de libertad. 5.7.4 Análisisdelavarianza(ANOVA,ANalysisOfVAriance) El análisis de la varianza parte de los conceptos de regresión lineal. Un análisis de la varianza permite determinar si diferentes grupos muestran diferencias significativas o por el contrario puede suponerse que sus medias poblacionales no difieren. El análisis de la varianza permite superar las limitaciones de hacer contrastes