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

摘要

Resumen El contenido de esta tesis se refiere a la implantación de prótesis de cadera. Se ha ocupado fundamentalmente de la evaluación cuantitativa de la estabilidad primaria, estrechamente vinculada a los microdesplazamientos (micromovimientos) relativos, en la interfase fémur-vástago, inducidos por la carga de unión fisiológica que ocurre inmediatamente después de la intervención quirúrgica, antes que tenga lugar cualquier otro proceso biológico. Se ha comparado la estabilidad de todas las zonas de la interfase, evaluando las respectivas combinaciones de carga, bajo ciertas hipótesis y también comparando las hipótesis entre sí, mediante agrupación y tabulación de resultados. Por un lado, las combinaciones, dentro de cada hipótesis, están representadas por un conjunto de resultados gráficos y de valores numéricos correspondientes a los desplazamientos absolutos del fémur y vástago por separado y, por otro lado, el cálculo de los desplazamientos relativos en la interfase y los esfuerzos en el hueso y vástago protésico. Este modo de medir cuantitativamente los desplazamientos y esfuerzos de cada punto, en las diferentes zonas y superficies críticas de la interfase hueso cortical/vástago, permitió realizar una evaluación minuciosa de la estabilidad primaria, pues el proceso de formación de tejido óseo cortical abarca superficies de la interfase muy pequeñas, del orden de decenas de micrones, por lo tanto, basta que el microdesplazamiento relativo, en esta escala pequeñísima, supere 150 micrones, para que la fijación biológica por osteointegración se interrumpa y, a largo plazo, mute a fijación 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 “rigidización” de la interfase; pues al no existir “pegamento” externo, deben generarse, en este breve periodo, las primeras “uniones” óseas sobre la superficie metálica del vástago, de tal modo que sean “estables”. Precisamente por esta razón, las cargas fisiológicas se reducen mediante asistencia de bastón. El objetivo central ha sido demostrar, por simulación numérica, la superioridad de las prótesis personalizadas estudiando el fenómeno de la estabilidad en el vástago de un implante virtual obtenido de un paciente específico por modelación CAD/CAE. Los otros objetivos fueron obtener los modelos CAD utilizando imágenes tomográficas de una paciente de 40 años de edad, en la Clínica San Miguel de la ciudad de Piura-Perú; posteriormente, se han reconstruido los modelos virtuales con el programa de aplicaciones biomédicas 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 fémur/vástago 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 División de Ingeniería de Máquinas de la Universidad Ploitécnica de Madrid, se procedió a formular tres hipótesis que vincularan interferencia, viscosidad, carga fisiológica y periodo de recuperación. En las hipótesis se combinaron la interferencia con la fricción del siguiente modo: interferencia constante, debido a que ésta queda fijada en el acto quirúrgico, con variación de fricción que , a su vez, depende de la evolución del paciente después de la operación Como la estabilidad se ha fundamentado en el principio de contacto superficial, el vástago personalizado, previamente diseñado, está fijado al hueso por efecto de la fricción interfacial, de ahí que la interferencia sea el parámetro determinante dentro de la estabilidad. En este sentido las tres hipótesis planteadas tienen respectivamente interferencias de 1 micrón para representar la situación de interferencia nula; 10 micrones para interferencia moderada y 100 micrones para reflejar la interferencia óptima; en cada hipótesis se establecieron cuatro combinaciones de carga, que ha constituido la estructura para formular las simulaciones con variables tales como periodo de convalecencia, en función del coeficiente de fricción , y tipo de actividad del paciente, en función de la carga fisiológica. 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.