Download Fernando Zapata Cornelio

CARACTERIZACIÓN Y MODELADO DEL COMPARTAMIENTO DE LAS
FRACTURAS EN HUESOS LARGOS
FERNANDO YITZHAK ZAPATA CORNELIO
UNIVERSITY OF LEEDS, LEEDS, LS2 9JT [email protected]
diseño de elementos utilizados para la fijación de
INTRODUCCIÓN
Las fracturas en huesos son comunes en jóvenes
(trauma/accidentes) y personas de la tercera edad
(debido al debilitamiento de los huesos). Cuando
una fractura ocurre, la inmovilización de ésta
utilizando férula (yeso), es usualmente el método
la fractura como implantes y placas pueden ser
mejorados; todo esto con la ventaja de no tener los
costos de hacer experimentos de laboratorio,
siendo así una herramienta ideal para hacer
investigación en el sitio de la fractura.
clínico seleccionado. Pero en muchos casos,
Es por esto, que mi investigación se enfoca en
cuando la fractura es demasiado compleja
crear
(muchos partes envueltas) o en huesos que
reproducir el comportamiento físico de una
soportan grandes cargas, la fractura es tratada con
fractura transversal en huesos largos.
diferentes
métodos
inmovilización
de
de
la
fijación,
fractura
como
con
la
placas
quirúrgicas, tornillos y cables, ofreciendo una
mejora en la inmovilización de la fractura.
Sin embargo, dichos procedimientos de fijación
1-4
un
modelo
computarizado
capaz
de
ESTUDIO DE ELEMENTO FINITO
Método
Con el fin de evaluar las fracturas en huesos
largos, un modelo de elemento finito fue diseñado
retardando así el proceso de
con el fin de representar una fractura ideal. Éste
curación en el sitio de la fractura e inclusive
consistió en dos cilindros sujetados a una placa,
requiriendo más intervenciones quirúrgicas. Es
bajo una combinación de fuerza axial y torsional.
por esta razón que la demanda por un modelo
El diseño fue hecho y evaluado en el software
computacional que sea confiable, capaz de
computacional ABAQUS (Ver 6.11.1 Dessault
reproducir el comportamiento de una fractura y de
Systemes, USA).
pueden fallar
probar el rendimiento de los procedimientos de
fijación, se ha incrementado.
La técnica de diseño de modelos de Elemento
Finito (FE) basados en imágenes tomadas con
micro tomografía computarizada (µCT) es una
herramienta capaz de predecir los esfuerzos y
desplazamientos en el sitio de la fractura; y con el
incremento en el uso de esta herramienta, el
Fig. 1: Modelo de FE genérico hecho con dos cilindros y
una placa genérica.
1
Un modelo más detallado fue diseñado, esta vez
Por lo tanto, estos resultados demostraron que es
basado en la técnica de modelado µCT + FE. El
necesaria una más detallada caracterización en la
modelo fue creado usando Scan-IP (Ver. 4.3 build
fractura con el fin de entender el comportamiento
571, Simpleware Ltd, UK y después fue
de la fractura en huesos.
importado a ABAQUS, donde entonces se aplicó
una combinación de fuerzas axial y torsional y se
calculó el desplazamiento en el sitio de la fractura
Fig. 2.
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Método
Dando seguimiento a los resultados del estudio de
elemento
finito,
se
emprendió
un
estudio
experimental para generar y caracterizar fracturas
más realistas in vitro.
Tres especímenes de huesos porcinos (promedio
de 24 a 26 semanas) y tres especímenes de huesos
ovinos (promedio de 3 a 4 años) fueron
Fig. 2: Modelos de fémur generados por computadora.
Se puede notar los esfuerzos mecánicos en el sitio de la
fractura al agregar una fuerza de tres veces la masa
corporal común (70 Kg.) y la adición de una placa de
acero al modelo principal.
Resultados
recolectados para propósitos de medición. El
tejido fue recibido el mismo día del sacrificio del
animal y fue considerado como tejido fresco.
Después de la prueba de “generación de
fracturas”, los especímenes fueron almacenados
El modelo ideal mostró que el desplazamiento en
el sitio de la fractura depende mayormente en el
coeficiente de fricción que se haya añadido a la
en bolsas de plástico resellables y congelados a 20°C,
para después ser utilizados en pruebas
mecánicas.
superficie en contacto (fractura); si el coeficiente
de fricción se incrementa, la cantidad de
Características de los especímenes y diseño del
desplazamiento en el sitio de la fractura se verá
nuevo equipo para la generación de fracturas.
reducido y viceversa.
Después de recolectar los especímenes, tres
Mientras que en el modelo ideal con la fractura
muestras de cada espécimen fueron seleccionadas
transversal perfecta el desplazamiento depende del
y el tejido restante alrededor del hueso fue
coeficiente de fricción, los resultados muestran
removido. Se midió los especímenes en dos
que en el modelo con una superficie más compleja
diferentes planos: anterior-posterior y medial-
en el área de la fractura dependerá más en las
lateral con espacio entre cada medida de 10 mm.
características y la forma de la fractura que en el
Para la parte experimental del proyecto, se decidió
coeficiente de fricción en sí mismo.
generar y estudiar las fracturas transversales
simples, que de acuerdo a la clasificación de
2
fracturas de Müller 5 son aquellas localizadas en la
hallar la relación correcta entre peso-altura para el
diáfisis del fémur y cuya inclinación no sobrepasa
equipo de caída libre y la fractura generada para
los 30 grados.
cada tipo de espécimen debido a esta relación.
Un nuevo equipo capaz de generar fracturas de
Resultados
forma repetible fue desarrollado, el diseño se basó
en ciertos requerimientos tomados del anterior
estudio de la caracterización de los huesos, al
igual que en la combinación de dos métodos
extensamente utilizados para la generación de
fracturas: el método guillotina
6-8
y el método de
flexión en tres puntos 4, 9-12.
Los resultados preliminares mostraron que las
fracturas transversales en huesos porcinos fueron
exitosamente generadas con una combinación de
1.9 m de altura (desde donde se suelta la masa) y
una masa total de 1.545 Kg. En contraste con esto,
dichas fracturas no fueron satisfactoriamente
generadas en los especímenes ovinos, debido a las
El diseño resultante se muestra en la Fig. 3. El
limitantes en el equipo de caída libre y a la dureza
equipo fue capaz de generar fracturas en huesos
de los huesos ovinos. Por esta razón, el diseño del
sintéticos y especímenes porcinos y ovinos, todo
modelo computacional y la caracterización del
esto en combinación con el equipo de caída libre
hueso
(drop test rig). El equipo para la generación de
porcinos.
fueron
hechos
usando
especímenes
fracturas fue primeramente calibrado con el fin de
Fig. 3 Proceso de generación de fractura, de izquierda a derecha, el tejido en el hueso es removido, después se genera la
fractura en el equipo mostrado, y finalmente el hueso es almacenado en una bolsa resellable y congelado a -20°C. Más
adelante el hueso se utilizará en pruebas mecánicas.
DISCUSIÓN
Como se mencionó anteriormente, los resultados
del estudio de elemento finito mostraron que las
características de la fractura juegan un rol
importante en el comportamiento de todo el hueso.
El método experimental ha permitido generar
fracturas repetibles en especímenes porcinos.
Trabajo adicional se está llevando acabo para
caracterizar las fracturas, tal es el caso de
procesamiento
digital
de
imágenes
usando
3
MATLAB para encontrar la rugosidad, ondulación
y
forma
característica
en
las
fracturas
transversales simples, basado en las imágenes
generadas a través del µCT. Por otro lado, se está
generando una metodología que ayude a hacer
10.
Ekeland, A.; Engesaeter, L. B.; Langeland, N.
Acta Orthopaedica Scandinavica 1981, 52, 605.
11.
Macdonald, W.; Skirving, A. P.; Scull, E. R. Acta
Orthopaedica Scandinavica 1988, 59, 542.
12.
Utz, J. C.; Nelson, S.; O'Toole, B. J.; van
Breukelen, F. Journal of Experimental Biology 2009,
212, 2746.
pruebas en los huesos ya fracturados y permita
comparar los resultados obtenidos de los modelos
FE generados a través de las imágenes del µCT.
Una vez completado esto, el trabajo se utilizará
para hacer modelos más representativos de huesos
que incluyan fracturas para así poder evaluar los
diferentes métodos de fijación y así poder mejorar
el diseño de los mismos
RECONOCIMIENTO
Este trabajo fue realizado con el apoyo de la beca
214140 de CONACYT y la beca de la Secretaría
de Educación Pública y del Gobierno Mexicano.
REFERENCIAS
1.
Brouwer, K. M.; Wright, T. C.; Ring, D. C.
Journal of Shoulder and Elbow Surgery 2009, 18, e22.
2.
Kanchanomai, C.; Phiphobmongkol, V.;
Muanjan, P. Engineering Failure Analysis 2008, 15,
521.
3.
Megas, P.; Syggelos, S. A.; Kontakis, G.;
Giannakopoulos, A.; Skouteris, G.; Lambiris, E.;
Panagiotopoulos, E. Injury 2009, 40, 732.
4.
Molster, A.; Gjerdet, N. R.; Raugstad, T. S.;
Hvidsten, K.; Alho, A.; Bang, G. Acta Orthopaedica
Scandinavica 1982, 53, 521.
5.
Müller, M. E. The comprehensive classification
of fractures of long bones: Springer-Verlag, 1990.
6.
Bonnarens, F.; Einhorn, T. A. Journal of
Orthopaedic Research 1984, 2, 97.
7.
Marturano, J. E.; Cleveland, B. C.; Byrne, M. A.;
O'Connell, S. L.; Wixted, J. J.; Billiar, K. L. Journal of
Biomechanics 2008, 41, 1222.
8.
Robinson, D. A.; Bechtold, J. E.; Carlson, C. S.;
Evans, R. B.; Conzemius, M. G. Journal of Orthopaedic
Research29, 131.
9.
Cotton, J. R.; Winwood, K.; Zioupos, P.; Taylor,
M. Journal of Biomechanical Engineering-Transactions
of the Asme 2005, 127, 213.
4