Estudio de la influencia de estabilidad primaria en el diseño de vástagos de prótesis femorales personalizadas : aplicación a paciente específico

Resumen El contenido de esta tesis se refiere a la implantacion de protesis de cadera. Se ha ocupado fundamentalmente de la evaluacion cuantitativa de la estabilidad primaria, estrechamente vinculada a los microdesplazamientos (micromovimientos) relativos, en la interfase femur-vastago, inducidos por la carga de union fisiologica que ocurre inmediatamente despues de la intervencion quirurgica, antes que tenga lugar cualquier otro proceso biologico. Se ha comparado la estabilidad de todas las zonas de la interfase, evaluando las respectivas combinaciones de carga, bajo ciertas hipotesis y tambien comparando las hipotesis entre si, mediante agrupacion y tabulacion de resultados. Por un lado, las combinaciones, dentro de cada hipotesis, estan representadas por un conjunto de resultados graficos y de valores numericos correspondientes a los desplazamientos absolutos del femur y vastago por separado y, por otro lado, el calculo de los desplazamientos relativos en la interfase y los esfuerzos en el hueso y vastago protesico. Este modo de medir cuantitativamente los desplazamientos y esfuerzos de cada punto, en las diferentes zonas y superficies criticas de la interfase hueso cortical/vastago, permitio realizar una evaluacion minuciosa de la estabilidad primaria, pues el proceso de formacion de tejido oseo cortical abarca superficies de la interfase muy pequenas, del orden de decenas de micrones, por lo tanto, basta que el microdesplazamiento relativo, en esta escala pequenisima, supere 150 micrones, para que la fijacion biologica por osteointegracion se interrumpa y, a largo plazo, mute a fijacion por tejido fibroso debilitando la estabilidad secundaria. Se ha evaluado la estabilidad primaria para periodos iniciales, de una semana y un mes, que son los adecuados por tratarse de la fase primaria de “rigidizacion” de la interfase; pues al no existir “pegamento” externo, deben generarse, en este breve periodo, las primeras “uniones” oseas sobre la superficie metalica del vastago, de tal modo que sean “estables”. Precisamente por esta razon, las cargas fisiologicas se reducen mediante asistencia de baston. El objetivo central ha sido demostrar, por simulacion numerica, la superioridad de las protesis personalizadas estudiando el fenomeno de la estabilidad en el vastago de un implante virtual obtenido de un paciente especifico por modelacion CAD/CAE. Los otros objetivos fueron obtener los modelos CAD utilizando imagenes tomograficas de una paciente de 40 anos de edad, en la Clinica San Miguel de la ciudad de Piura-Peru; posteriormente, se han reconstruido los modelos virtuales con el programa de aplicaciones biomedicas MIMICS y finalmente, transformarlos en modelos CAD con ayuda de otro software comercial: SOLIEDGE. Para conseguir los resultados mostrados en la tesis, fue necesario “visualizar” la interfase femur/vastago y simular diferentes grados de interferencia (ajuste), aplicando condiciones de contorno y algoritmos de contacto superficial dentro del programa comercial de elementos finitos NX 6.0 y NASTRAN. Con el respaldo de los recursos de software y hardware de la Division de Ingenieria de Maquinas de la Universidad Ploitecnica de Madrid, se procedio a formular tres hipotesis que vincularan interferencia, viscosidad, carga fisiologica y periodo de recuperacion. En las hipotesis se combinaron la interferencia con la friccion del siguiente modo: interferencia constante, debido a que esta queda fijada en el acto quirurgico, con variacion de friccion que , a su vez, depende de la evolucion del paciente despues de la operacion Como la estabilidad se ha fundamentado en el principio de contacto superficial, el vastago personalizado, previamente disenado, esta fijado al hueso por efecto de la friccion interfacial, de ahi que la interferencia sea el parametro determinante dentro de la estabilidad. En este sentido las tres hipotesis planteadas tienen respectivamente interferencias de 1 micron para representar la situacion de interferencia nula; 10 micrones para interferencia moderada y 100 micrones para reflejar la interferencia optima; en cada hipotesis se establecieron cuatro combinaciones de carga, que ha constituido la estructura para formular las simulaciones con variables tales como periodo de convalecencia, en funcion del coeficiente de friccion , y tipo de actividad del paciente, en funcion de la carga fisiologica. Summary The content of this thesis has taken care fundamentally of the quantitative evaluation of the primary stability to be tied to the relative microdisplacements in the stem-bone interface induced by the load of physiological union that happens immediately after the operation, before any other biological process takes place. The stability of all the zones of the interphase has been compared, evaluating the respective combinations of load inside the hypotheses and in addition the hypotheses to each other, by means of grouping and tabulation of results. On the one hand, the combinations, within each hypothesis, are represented by a set of graphical results and numerical values corresponding to the absolute displacements of femur and stem separately and, on the other hand, the calculation of the relative displacements in the interface and the stress on the bone and also on the stem This quantitative way to measure the displacements and stress of each point, in the different zones and critical surfaces from the cortical bone/stem interface, allowed to make a meticulous evaluation of the primary stability, because the process of bony weave formation cortical cover very small surfaces of the interface, in the order of tens of microns, therefore, is enough that the excess of movement in this smallest scale surpasses 150 microns, so that the bone biological fixation interrupts and in the long term mute to fixation by fibrous weave, debilitating the secondary stability. It has been evaluated primary stability for initial periods, of one week and a month, that correspond to it to be indeed the primary phase of “stiff” of the interface, because when doesn’t exist external “glue”, they must be generated in this brief period, first bony “unions” on the metallic surface of the stem, in such a way that they are “stable”, indeed the physiological loads were therefore reduced by means of cane attendance. The central objective has been to demonstrate, by finite element simulation , the superiority of the customized stems studying the phenomenon of the stability in the stem of virtual implants obtained of a specific patient modeling by CAD/CAE. The other objectives were to obtain models CAD using CT images of a patient of 40 years old, in the San Miguel Clinic of the city of Piura-Peru, later the virtual models with the program of biomedical reconstruction MIMICS were reconstructed and finally to transform them into models CAD with the help of another commercial software: SOLIEDGE. In order to obtain the results shown in the thesis, it was necessary “to visualize” the interface femur/stem and to simulate different degrees of interference (fits), applying conditions of contour and algorithms of superficial contact using the commercial program of finite elements NX 6,0 and NASTRAN. With the support of the resources of software and hardware of the Division of Engineering of Machines it was come to formulate three hypotheses that they tied interference, viscosity, physiological load and period of recovery. In the hypotheses they were combined the interference with the friction of the following way: constant interference, because this one is fixed to the surgical act, with friction variation that, as well, depends on the evolution of the patient after the operation As the stability has been based on the principle of superficial contact, the designed customized stem, pays attention to the bone by effect of the interface friction, of there that the interference is the determining parameter within the stability. In this sense the three hypotheses raised respectively have interferences of 1 micron to mark the situation on a map of null interference; 10 microns for moderate interference and 100 microns to reflect optimal interference; in each hypothesis four combinations of load settled down, it was the structure to formulate the simulations with variables such as period in function of the one of friction coefficient , and type of activity of the patient based on physiological load.