3.1.1.
Primera hipótesis
El método experimental fotoelástico diseñado en el laboratorio permite evaluar cualitativamente con precisión la distribución de tensiones y deformaciones en la articulación glenohumeral intacta y que el análisis tenga utilidad clínica.
Los modelos físicos experimentales ofrecen una identificación gráfica inmediata e intuitiva de la anatomía y de la biomecánica de la articulación, sin embargo, los sistemas experimentales adolecen aun de dificultades, los más significativos son el control riguroso de parámetros y la repetitividad de los ensayos. Por este motivo es necesario diseñar un modelo fotoelástico que permita una estimación precisa de la distribución de tensiones y deformaciones en la articulación glenohumeral intacta con control del sistema de distribución de cargas y la temperatura de la cámara isotérmica. El método de fotoelasticidad es necesario para validar los resultados que proporcionan los modelos numéricos y permiten una mejor comprensión para médicos y otros profesionales en campos diferentes a la ingeniería. Dado que en los ensayos realizados se ha empleado la técnica de congelación de tensiones, la observación y toma de imágenes fotoelásticas se simplifica enormemente, puesto que no es necesaria la aplicación de carga mientras se observa en el polariscopio circular y se evita tener que disponer de un sistema costoso y complejo.
3.1.2.
Segunda hipótesis
El modelo fotoelástico fisiológico diseñado en el laboratorio permite realizar un análisis cualitativo con precisión y utilidad clínica de los patrones de tensiones y el área de contacto de la articulación glenohumeral con artroplastia invertida de hombro.
Esta hipótesis es fundamental en la existencia de diferencias claras entre la articulación glenohumeral intacta y con artroplastia invertida de hombro. El análisis del hombro con los dos modelos de prótesis cementada (Delta XTEND) y no cementada (SMR) es importante porque se puede conocer el comportamiento de la artroplastia invertida a corto, mediano y largo plazo, e identificar las complicaciones reales, como aflojamiento de los componentes protésicos, inestabilidad de la articulación, tensiones de contacto, notching escapular, BIO-RSA, entre otros. La congelación por tensiones es una técnica experimental de fotoelasticidad para medir los patrones de tensiones y deformaciones internas en un modelo fotoplástico tridimensional durante las pruebas estáticas con control del sistema de distribución de cargas y la temperatura de la cámara isotérmica. El análisis de tensiones y deformaciones en la articulación con artroplastia invertida de hombro permite identificar las complicaciones derivadas del uso de estas prótesis.
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3.1.3.
Tercera hipótesis
La técnica de montaje de réplica de prótesis en hueso sintético (MRPH) posee propiedades más óptimas para analizar con fotoelasticidad la distribución de tensiones en la articulación glenohumeral con RSA en comparación con la técnica de montaje de prótesis real en hueso sintético (MPH).
Para que el análisis mediante la técnica de fotoelasticidad 2D y 3D de los patrones de tensiones, el área de contacto y la estabilidad del hombro sea correcto no basta que el diseño del sistema fotoelástico sea eficiente, sino que se debe diseñar un método de fabricación de huesos fotoplásticos útil para dicho análisis. Es necesario desarrollar dos métodos de fabricación de huesos fotoelásticos y comparar las dos técnicas de construcción de modelos fotoplásticos, con el fin de identificar el conjunto hueso-prótesis sintético más adecuado para estudios con fotoelasticidad 2D y 3D por congelación de tensiones. La técnica deberá reproducir muestras más semejantes y una construcción cómoda y fácil. Esta hipótesis defiende que es viable implementar una técnica de montaje de réplica de prótesis en hueso sintético (MRPH) y que su uso en el análisis de fotoelasticidad permite obtener resultados más precisos que con la técnica de montaje de prótesis en hueso sintético (MPH).
3.1.4.
Cuarta hipótesis
Las propiedades ópticas y mecánicas de los huesos sintéticos y los componentes protésicos modelados son adecuadas para el análisis fotoelástico por congelación de tenciones de la articulación del hombro con RSA.
Los huesos sintéticos deben tener propiedades ópticas y mecánicas óptimas para realizar el análisis de fotoelasticidad en la articulación glenohumeral. Los modelos de material fotoelástico de huesos sometidos a cargas deberán permitir realizar ensayos de congelación de tensiones. Puesto que los ensayos por congelación de tensiones requieren elevar la temperatura de la cámara isotérmica al menos hasta 60 C durante 30 minutos y posteriormente un enfriamiento lento, los materiales utilizados deben tener propiedades elásticas adecuadas. De igual manera las propiedades mecánicas de los huesos sintéticos y de las réplicas de prótesis deben ser proporcionales a los huesos y prótesis reales. Los estudios experimentales con modelos sintéticos son muy limitados por su dificultad, no habiendo precedentes de modelos fabricados para su uso específico en Fotoelasticidad 3D. Esta hipótesis valora si las propiedades mecánicas de los modelos fotoplásticos del conjunto hueso-prótesis son adecuados para realizar los ensayos de congelación de tensiones.
3.1.5.
Quinta hipótesis
El montaje de transmisión de cargas con tres músculos agonistas del modelo físico de fuerzas del hombro permite mantener en equilibrio el ensayo de la articulación glenohumeral intacta y con artroplastia invertida de hombro a 90 grados de abducción.
El montaje de transmisión de cargas debe permitir una identificación rápida y directa de los planos principales de carga, solicitaciones y cambios geométricos que puede provocar la articulación con RSA. En general el diseño se realiza con elementos simples de transmisión de carga por gravedad. Las tres cargas aplicadas están asociadas con tres músculos agonistas, los cuales tienen mayor implicación en la posición de equilibrio a 90 grados de abducción. El montaje del modelo físico fotoelástico es muy útil para visualizar y comprender los cambios físicos provocados por la artroplastia, tales como, alargamiento del brazo, cambio en la ubicación geométrica de los huesos, cambio del centro instantáneo de rotación, entre otros. Las fuerzas aplicadas no son las magnitudes reales, son cargas proporcionales a la articulación del hombro en dicha posición de equilibrio.
3.1.6.
Sexta hipótesis
El sistema de registro de imágenes fotoelásticas diseñado en el laboratorio es fiable para analizar los espectros optomecánicos en la articulación glenohumeral intacta y con artropastia de hombro.
Las tensiones y deformaciones resultantes de los modelos, obtenidos a partir de la técnica de congelación de tensiones, se observaron usando un polariscopio circular con luz blanca y monocromática, descartando la fotoelasticidad por reflexión analizada en el estado del arte. Como el análisis de esta tesis es cualitativo no ha sido necesario el uso de un software para procesar las imágenes. El registro de las muestras se realiza en distintas posiciones por cada hueso, con el fin de observar el efecto de la distribución de tensiones resultantes de cada modelo. Después de haber tomado las fotografías, se aplica una flexión manualmente. De esta forma aparecerán tensiones superpuestas y se podrá determinar el signo de las tensiones en cada borde. El sistema de registro de imágenes es bidimensional y tridimensional.
3.1.7.
Séptima hipótesis
Mediante el método experimental optomecánico es posible establecer una comparación sobre la efectividad mecánica de distintos modelos de prótesis articular empleados en la artroplastia por desgarro del manguito de rotadores.
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El modelo de congelación de tensiones y el registro de imágenes proporciona un método válido y repetible para analizar y visualizar las diferencias en las distribuciones de tensiones de varios modelos fotoelásticos (articulación intacta, RSA Delta XTEND y RSA SRM). La metodología eficiente del modelo físico permite analizar la efectividad mecánica de los modelos. El estudio permite identificar si la tensión producida por las prótesis después de una artroplastia de hombro puede conducir a un aflojamiento del implante, posteriormente deformaciones en la cavidad glenoidea u otras complicaciones.
3.2.
Objetivos de la tesis
3.2.1.
Objetivo general
El objetivo del estudio es realizar un análisis biomecánico de la articulación del hombro tanto del sistema biológico intacto como de modelos con artroplastia invertida del hombro, con el fin de evaluar el comportamiento del sistema protésico. Para conseguir lo anterior, se desarrolla principalmente, un estudio fotoelástico en 2D y 3D por congelación de tensiones. Tales modelos deberán representar fielmente la geometría de la articulación y de los componentes de la artroplastia invertida del hombro. De igual manera analizar el comportamiento del modelo fotoelástico fisiológico con dos modelos de prótesis cementada (Delta XTEND) y no cementada (SMR) con un sistema de distribución de carga controlado y con distintas variaciones de la cúpula humeral. Esto con el fin de observar el efecto en la distribución de tensiones y deformaciones resultantes de la variación de tales parámetros (prótesis y cúpulas humerales). Finalmente, analizar las distintas alternativas de los parámetros de diseño del sistema huesos-prótesis, con el fin de predecir la combinación biomecánica más eficiente.
3.2.2.
Objetivos específicos
Realizar un análisis experimental del complejo articular del hombro a partir de una técnica óptica de campo continuo, fotoelasticidad 2D y 3D, en su variante congelación de tensiones. Para conseguir lo anterior, se estudia cualitativamente la distribución de tensiones y desplazamientos en la articulación glenohumeral con un sistema de carga controlado a 90 grados de abducción.
Diseñar un modelo fotoelástico fisiológico de la articulación glenohumeral con artroplastia invertida de hombro a 90 grados de abducción para investigar los patrones de tensiones, el área de contacto y la estabilidad del hombro con dos modelos de prótesis cementada (Delta XTEND) y no cementada (SMR).
Desarrollar dos métodos de fabricación de huesos fotoelásticos con dos modelos de prótesis invertida de hombro cementada (Delta EXTEND) y no cementada (SMR). Realizar un análisis comparativo de las dos técnicas de construcción de modelos fotoelásticos, con el fin de predecir el conjunto hueso-prótesis sintético más adecuado para estudios con fotoelasticidad 2D y 3D por congelación de tensiones. Además, la técnica deberá reproducir muestras más semejantes y una construcción más cómoda y fácil.
Construir huesos sintéticos con material fotoelástico con propiedades ópticas y mecánicas adecuadas para el análisis de fotoelasticidad 2D y 3D por congelación de tensiones. Los huesos sintéticos, a partir de las técnicas de reproducción deberán conservar los elementos anatómicos
y accidentes óseos. También, fabricar componentes de la artroplastia invertida de hombro con características mecánicas semejantes a las prótesis reales.
Desarrollar un método experimental de fotoelasticidad por congelación de tensiones aplicable al análisis de la articulación glenohumeral y al conjunto hueso-prótesis. Diseñar un ensayo sencillo, reversible, repetible, no destructivo, con control riguroso de parámetros, tales csistema de distribución de cargas y temperatura de la cámara isotérmica).
Fabricar un sistema de registro fiable de imágenes fotoelásticas para analizar los espectros de los distintos modelos de la articulación del hombro, para lo cual se utiliza un polariscopio circular empleando luz blanca y monocromática. Finalmente, se captura la imagen fotoelástica con el fin de observar el efecto de la distribución de tensiones y deformaciones resultantes de los modelos.
Determinar la efectividad de la prótesis invertida de hombro Delta XTEND y SMR y evaluar, mediante los patrones de tensiones, el área de contacto y la estabilidad, las posibles complicaciones que se pueden producir en la articulación glenohumeral con artroplastia invertida de hombro. Comparar con la literatura analizada los posibles eventos adversos a corto, medio y largo plazo.