En el diario quehacer de la investigación, en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Adolfo López Mateos Zacatenco, se han estado desarrollando estudios desde hace 18 años sobre fenómenos que corresponden a las áreas de Biomecánica y Bioingeniería. Estos trabajos juegan un papel relevante en la realización y divulgación de estos estudios numérico-experimentales y donde se proponen soluciones que nacen de una necesidad real ubicada en el sector salud (ISSSTE/IMSS). Para tal caso cuenta con 11 tesis de doctorado, 8 tesis de maestría y 1 de licenciatura. Lo anterior demuestra, el gran impacto en la generación de soluciones a diversos casos de estudios y se estipulan 5 líneas de acción, siendo estas con base en la investigación de Villa y colaboradores [2007]:
· Columna vertebral. · Regeneración ósea. · Miembro superior. · Flujos biológicos.
Dentro de los trabajos realizados sobre miembro inferior se encuentra:
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· Biomecánica de una prótesis no convencional para cadera.- El caso que fue
analizado en este trabajo de investigación fue el de una prótesis no convencional para cadera, la cual se usa predominantemente para el tratamiento de los tumores óseos que afectan la porción superior del fémur. Este implante fue desarrollado en el servicio de tumores óseos del Instituto Nacional de Ortopedia y ha sido empleado en un número reducido de casos. Este dispositivo cuenta con un sistema de pernos bloqueadores, los cuales evitan los movimientos de rotación alrededor del eje longitudinal, al tiempo que transmiten la carga al hueso en la porción que queda por debajo del corte quirúrgico. No obstante se han obtenido buenos resultados con su uso, no se han realizado estudios biomecánicos que aseguren que su configuración actual es la mejor. Para abordar el problema se construyó, en primera instancia, un modelo mediante el Método del Elemento Finito, de un fémur intacto, con el propósito de obtener una mejor compresión de la metodología y para que sirva como una referencia. Es deseable, después de la aplicación de una prótesis o implante, que el hueso reciba el mismo estímulo mecánico que obtiene en estado normal. La geometría del hueso se determinó por medio de 60 cortes tomográficos obtenidos de un fémur perteneciente a un voluntario masculino con 27 años de edad, aparentemente sano, de 1.74 m de estatura y 70 kg de peso. Después se digitalizaron dichos cortes y los datos obtenidos se empleó un paquete de cómputo dedicado en el desarrollo de análisis mediante el método del elemento finito. En cuanto a la prótesis esta se dibujo por medio de un paquete de cómputo CAD. Para el primero de los dos modelos (fémur intacto) se consideraron un total de cuatro fuerzas externas, correspondientes a la reacción de la cadera y los tres paquetes musculares más representativos en la fase de apoyo medio del ciclo de marcha (caminar normal). En el segundo modelo se integraron la parte del hueso que quedaría después de una
resección (corte) y la prótesis, enseguida se analizaron diversas posibilidades variando la ubicación de los pernos bloqueantes. Con los modelos resueltos se obtuvieron los patrones de esfuerzos resultantes de acuerdo a la teoría de falla de von Mises. En el primer caso con el objeto de establecer el papel que juegan los músculos para modificar el comportamiento del hueso cuando es sometido a las solicitaciones que el acto de caminar demanda. Adicionalmente, se comparó el modelo del hueso intacto contra resultados experimentales (fotoelasticidad reflectiva), encontrándose concordancia entre ambos métodos. En el segundo caso, se estudió el efecto de cambiar de ubicación los pernos bloqueantes [Carbajal, 1999].
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· Análisis fotoelástico del estado de deformaciones de un hueso humano bajo
carga.- En esta disertación se analizaron los esfuerzos y deformaciones en el componente femoral de una prótesis de Charley® para cadera, cuando se aplican cargas fisiológicas. A partir de radiografías simples se determino la geometría bidimensional del fémur y se analizó la respuesta a cargas que corresponden a la etapa de apoyo medio de la marcha. Se utilizo el Método del Elemento Finito, asimismo, fue elegida la prótesis adecuada según las dimensiones del fémur. De igual forma se desarrollaron 6 espesores de capa de cemento las cuales varían de 1mm a 6 mm. Como resultado de éste análisis numérico se resuelve que los esfuerzos para el hueso fueron similares a los correspondientes al fémur intacto, de los espesores de la capa de cemento estudiado, el de 3 mm presenta menores esfuerzos para la prótesis y el cemento. Con base a estos resultados recomiendan el uso de espesores entre 3mm y 4 mm [Feria, 1999].
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· Diseño de un distractor externo para artrodiastasis de rodilla.- Este trabajo
presenta el desarrollo, aplicación, optimización y estudio mecánico de un distractor externo para artrodiastasis de rodilla, siendo éste un sistema de distracción mecánica para artrodiastasis y deflexión gradual de rodilla contracturada. El prototipo consistió de las siguientes partes principales: una barra de distracción, dos soportes para los tornillos Schanz que con respecto a la barra tienen rotación y angulación, y desplazamiento solo uno. El distractor para la artrodiastasis se colocó en el paciente fijándose rígidamente a dos tornillos Schanz de 6 mm de diámetro insertados en la
rodilla. El distractor se colocó a la rodilla izquierda de un primer paciente de 26 años de edad con ambas rodilla contracturadas en flexión de 100º-110º, del lado externo previa capsulotomia posterior y durante trece semanas se dio una distracción de 20 mm y una deflexión completa con tracción esquelética, aplicando carga gradualmente (9.81 a 49 N) a un tornillo transfictivo insertado en la parte metadiafisiaria distal de la tibia (paciente en decúbito dorsal). Se realizó un estudio biomecánico, se optimizó el diseño y se manufacturo un distractor, que funcionará como distractor propiamente o también como tensor, y se realizó un estudio mecánico en una máquina universal de ensayos Instron 4502 de 10 kN de capacidad, para asegurar su estabilidad mecánica durante su aplicación en el paciente [Damián, 1999].
· Estudio de un espaciador para el tratamiento de tumores de rodilla por medio de elementos finitos y su análisis por métodos estadísticos.- En la presente investigación se muestra el desarrolló un espaciador para tumores óseos en rodilla, Los resultados reportan deformación en la zona donde se colocan los pernos tanto del fémur como de la tibia así como aflojamiento del implante. En este trabajo se realizó un modelo de elementos finitos, pruebas de convergencia y un proceso robusto del implante para investigar los esfuerzos de los pernos cuando se ubican en diferentes sitios en el hueso cortical, así como el análisis biomecánico del implante con dos diferentes materiales (acero inoxidable 316 LVM grado médico y una aleación de titanio Ti-6Al-4V). Los resultados muestran que la mejor ubicación de los pernos en el fémur para el perno proximal es a 10 cm y para el perno distal es a 7.4 cm del espaciador, los pernos de la tibia se colocan a 4 cm el perno proximal y a 6.5 cm el perno distal. El material que nos ofrece el mejor comportamiento biomecánico para el espaciador es la aleación de titanio [Araujo, 2006].
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· Optimización del diseño del componente femoral de una prótesis no convencional
bloqueada para cadera.- El objetivo de este trabajo de investigación fue establecer los parámetros del diseño que mejoren la estabilidad de un implante de cadera auto- bloqueado no convencional mediante el método del elemento finito (MEF). Se realizaron 5 casos de estudio en los cuales se perturban los parámetros del diseño del
implante, estudiando el impacto del desempeño del sistema hueso-prótesis y con esto se estableció la configuración que presenta la mayor estabilidad del conjunto. La validación experimental de los resultados obtenidos, revela que la distribución de los esfuerzos por ambos métodos tiene un alto grado de similitud. Los resultados muestran que los parámetros óptimos son los que presentaron el perno proximal a 50mm del sitio de la osteotomía, el perno distal a 25 mm del proximal, el vástago de 300mm de largo. La presencia de la camisa mejora el desempeño mecánico del implante inmediatamente después de su colocación, sin embargo cuando el tiempo transcurre y el hueso crece a través de las ventanas de la camisa, el comportamiento de la prótesis presenta una disminución ligera de su estabilidad [Domínguez, 2003].
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· Estudio del aflojamiento aséptico de prótesis de cadera debido al desgaste.- En este
trabajo, se estudio el aflojamiento por desgastes de prótesis de caderas cementadas tipo Charnely®, el análisis principal está orientado a la región del acetábulo y componente femoral. El desarrollo de la investigación se da en pacientes típicas mexicanas de edad avanzada con fracturas de cuello de fémur. Se utilizaron técnicas numéricas empleando el método del elemento finito como herramienta de análisis y las experimentales fueron llevadas a cabo con una máquina perno sobre disco cuantificando el volumen de desprendimiento del material por pérdida de peso en condiciones secas y lubricadas, realizando pruebas para determinar el comportamiento de los materiales de la prótesis, acero inoxidable ASTM 316l (NMX 316). Fue desarrollado un modelo de pelvis humana con base a las características morfológicas logrando obtener la distribución de los esfuerzos en el componente acetabular. Con la finalidad de conocer la carga aplicada, las condiciones de carga, diámetro y espesor del acetábulo, fue realizada una revisión bibliográfica de literatura especializada para establecer los parámetros ya mencionados con base a la morfología del fenotipo mexicano. Las diferentes rutinas y las condiciones de carga que se presentan durante la marcha del paciente, asimismo el movimiento relativo entre la prótesis y el hueso en condiciones cementadas, incrementa el proceso de aflojamiento. Los resultados de este estudio muestran una metodología numérico- experimental, la cual permite el estudio del comportamiento de los componentes femorales típicos de pacientes mexicanos. De la misma manera el volumen de
desgaste encontrado corresponde a una sola fase de la marcha, finalmente se puede concluir en términos experimentales la interpretación geométrica de la zona de contacto que se presenta en la interface pelvis-copa acetábular-prótesis [Feria, 2006].
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· Análisis experimental del desgaste en polietileno de ultra alto peso molecular y acero inoxidable 316L empleados en prótesis de coxofemorales.- En este trabajo se realizó el análisis experimental del desgaste de materiales empleados en prótesis coxofemorales. Los efectos conocidos como debris son analizados experimentalmente con una máquina tribológica de configuración perno sobre disco. Se analizó la perdida de desgaste con el método de gravimetría mediante ensayos con agua destilada y suero bovino como lubricantes. Además, para el análisis de muestras se empleó métodos de interpolaciones trigonométricas en este caso se emplea el método de mínimos cuadrados. Los resultados muestran aportaciones en los materiales empleados en la manufactura de estas prótesis [García, 2009].
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· Diseño y desarrollo de una prótesis flex-foot.- En este trabajo de investigación se
diseña y desarrolla una nueva prótesis transtibial Flex-Foot®, para lo cual se aplica el Método del Elemento Finito y posteriormente se procede a su manufactura. La importancia del diseño de esta prótesis radica en el aumento de las amputaciones transtibiales, que actualmente se encuentra entre 30,000 y 40,000 en los últimos 15 años, de los cuales el 1.2% las utiliza para actividades deportivas tales como carreras de velocidad. El proceso de diseño está basado en la metodología de Biomecánica con la cual es posible formar una analogía entre las partes que conforman la pierna y los elementos mecánicos básicos. Con los datos obtenidos fue posible llevar a cabo la simulación de su manufactura mediante el uso del software ABAQUS 6.7. Con este análisis numérico se pudo determinar los esfuerzos ocasionados por contacto y el adelgazamiento del material de la prótesis. Una vez determinadas las características de la prótesis se llevó a cabo su manufactura física, la cual consistió en un proceso de doblado, recocido, pulido y colocación de suela. Para la evaluación del desempeño del prototipo fue necesaria la fabricación del socket, acorde a las dimensiones del paciente, y la sujeción de la pierna protésica al mismo. Finalmente se observó que la
prótesis presenta características tales como una robustez, tamaño y proporción apropiada, así como bajo nivel de ruido entre otros [Valencia, 2009].
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· Manufactura de una prótesis parcial de cadera.- Presenta el estudio del proceso de
manufactura de una prótesis tipo Charnley®. Dentro de las etapas de fabricación, se observa que parten de la premisa del cálculo de forja del prototipo terminando este en un centro de mecanizado para dar acabado al vástago de la prótesis, y posterior la manufactura de la cabeza femoral. Por último, dentro del proceso se muestra un estudio económico concluyendo con costos bajos de producción [Márquez, 2006].
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· Diseño mecánico de una máquina pata terapia de movimiento continuo pasivo continuo de la rodilla.- Este trabajo de investigación muestra la metodología para el diseño mecánico de una máquina para terapia de movimiento pasivo continuo en la rodilla. Posteriormente se describen los procesos de manufactura necesarios para la fabricación de cada una de las piezas de la máquina, se menciona el proceso para formar los subensambles y el ensamble completo de la máquina. Para el análisis del mecanismo se utilizaron métodos gráficos y analíticos utilizando tres posiciones del mecanismo para determinar la longitud y las coordenadas del punto de rotación del eslabón restante. Los resultados muestran el análisis de los cálculos correspondientes a las velocidades, aceleraciones y fuerzas que intervienen en los eslabones y las articulaciones del mecanismo los cuales fueron necesarios para la fabricación de la máquina [Chávez, 2009].
Por otro lado, los trabajos sobre vertebras son los siguientes trabajos:
· Estudio biomecánico experimental del sistema Dufoo para columna lumbar
lesionada. La columna humana es una estructura compleja cuyas funciones son proteger la medula espinal y transferir cargas de la cabeza y tronco a la pelvis; está compuesta por 29 vertebras. Las patologías comunes de la columna son deformidades, lesiones degenerativas, lesiones tumorales y lesiones traumáticas. Los sistemas de fijación interna de columna consisten de tornillos perpendiculares que se insertan a los pedículos y se fijan a un elemento longitudinal, el sistema Dufoo para
columna es un fijador interno posterior bilateral que consiste de tornillos pediculares, barras longitudinales, conectores, barras transversales, tornillos y tuercas, todo de titanio aleado. Para el estudio del sistema Dufoo se preparó un modelo experimental formado por dos discos de nylacero a los cuales se fijo dicho sistema dejando un espacio entre discos para presentar, en el peor escenario clínico una corpectomía, lumbar, aplicando los tres tipos de carga que anatómicamente soporta la columna lumbar humana, de flexión - compresión, de flexión lateral y de torsión. Para un ensamble rápido y seguro modelo experimental, se desarrolló una nueva metodología que no se ha reportado en la bibliografía internacional. Para los tres tipos de ensayos se incluyo la medición del torque de aflojamiento necesario para el desmontaje del modelo experimental después de ser ensayado, lo que permitió determinar el comportamiento mecánico de los mecanismos de conexión del sistema Dufoo. La aplicación de la estadística descriptiva y comparativa permitió evaluar el grado de dispersión de resultados, y por tanto, el grado de tolerancias dimensionales conseguidas en la manufactura [Damián, 2003].
· Análisis Biomecánico del disco intervertebral para establecer su contribución en la inestabilidad de las fracturas.- Esta disertación presenta un estudio realizado conjuntamente entre el Instituto Politécnico Nacional en su Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI-ESIME Zacatenco) y el Hospital General de la Villa (Área de Columna). El objetivo del estudio, fue establecer la importancia de la función mecánica que tiene un disco intervertebral con daño físico, y cómo influye en la estabilidad de la columna vertebral. El estudio se centró en la región lumbar de la columna, específicamente en las vértebras L2-L3-L4, los especímenes de prueba utilizados para el análisis experimental son de origen animal (porcinos). Los casos estudiados corresponden a un espécimen sano, que se toma como referencia, y a cuatro especímenes que simulan un daño físico en el disco intervertebral (DIV), el daño fue representado en cuatro cuadrantes definidos que son: anterior, posterior, lateral derecho y lateral izquierdo. Todos los especímenes fueron ensayados a carga axial de compresión que simulan las condiciones reales a las que se encuentran sometido el disco intervertebral. De esta manera, se pudo establecer la función mecánica del disco intervertebral en la distribución y transmisión de carga, cuando
éste se encuentra sano, o cuando presenta algún tipo de daño físico en su estructura, y de qué forma repercute en la estabilidad de la columna vertebral. El estudio experimental se llevó a cabo mediante el uso de la técnica fotoelástica reflectiva, mientras que para el estudio numérico se empleo el método de elementos finitos a través del un programa de computo comercial. Los resultados obtenidos indican que una lesión en el cuadrante anterior del disco intervertebral puede propiciar molestias serias en el paciente, y por lo tanto, se recomienda su total extirpación, sugiriendo como alternativas, el uso de injertos o prótesis de disco, con algunas reservas en su uso [Rodríguez, 2007].
· Análisis numérico de las cervicales C3-C7 asociado al problema del latigazo cervical. El presente trabajo, se desarrolló la optimización del tratamiento quirúrgico corporectomía, la cual es una técnica médica necesaria para sustituir uno de los cuerpos vertebrales dañados, y que normalmente requiere de abordajes por las vías anterior y posterior, empleando fijadores tales como: Placas cervicales, barras rígidas, alambre y tornillería diversa. Cuando se lesionan las zonas cercanas a los puntos de transición (C7 y T12). Se generó un modelo de elementos finitos representativo de las cervicales C3-C5, el injerto óseo, la placa cervical de carga de compresión, los desplazamientos existentes entre el cuerpo vertebral de las cervicales C3 y C5, y el injerto que ocupa el espacio de la cervical C4. Se planteó los procedimientos para instrumentar vértebras porcinas en la unidad de carga C3-C5, la cual reproducirá el efecto deseado y contribuirá a validar las simulaciones numéricas realizadas [Beltrán, 2007].
· Diseño de una prótesis articulada para disco intervertebral.- En este trabajo se
propuso el diseño de una prótesis de disco intervetebral, el cual se baso en una metodología de una analogía entre las partes que conforman la columna vertebral, sus elementos mecánicos fundamentales y los rangos de movimientos dentro de los límites fisiológicos funcionales en asociación con las estructuras anatómicas adyacentes. Los resultados muestran que los niveles de esfuerzos máximos en las placas que están en contacto con las vertebras es de 6 kN, mostrando que estos se encuentran por debajo del esfuerzo de cadencia del hueso cortical, el cual es de 8.2
MPa. Por último, asimila que los niveles de carga mayores a cien kilogramos producidos por un traumatismo pueden ser soportados por la muelle tipo rotula del dispositivo protésico, el cual fue analizado mediante el método del elemento finito [Beristain, 2010].
· Caracterización de vertebras porcinas para su uso en aplicaciones Biomecánicas.
El presente trabajo consiste determinar las propiedades mecánicas en vértebras