Presentación de PowerPoint · Análisis estructural biomecánico de articulación de rodilla. IIIConferencia Internacional de 2003 Diseño e Ingeniería por Computadora 22, 23 y

2003III Conferencia Internacional de Diseño e Ingeniería por Computadora

22, 23 y 24 de Octubre 2003

ConferenciaConferencia

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•Diseño•Diseño

•Ingeniería•Ingeniería

•Colaboración•Colaboración

InstitutoTecnológico de

Celaya

Julio Cesar Sánchez Jiménez. [email protected]úl Lesso Arroyo. [email protected]

PRESENTAN:

Departamento de Ingeniería Mecánica

Presentación

Análisis estructural biomecánico de articulación de rodilla


22, 23 y 24 de Octubre 2003


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Índice


• Objetivos.• Introducción.• Partes involucradas.• Modelación.• Simulación.

Etapa 1: DesingSpaceEtapa 2: Ansys (partes por separado)Etapa 3: Ansys (Modelo simplificado)Etapa 4: Ansys (Modelo Completo)

• Resultados.• Conclusiones.


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Objetivos


• Presentar un análisis estructural de articulación de rodilla.

• Conocer el comportamiento conjunto entre los huesos de la rodilla y los meniscos en una simulación.

• Establecer los parámetros de control de los pares de contacto utilizados.

• Presentar las diferencias entre modelos lineales y no lineales.

• Desarrolla un primer paso importante hacia la caracterizaciónestructural de la articulación de rodilla.

• Desarrollar una metodología de trabajo para establecer los parámetros de los pares de contacto.

• Proporcionar una primera fuente de información al respecto para futuros trabajos orientados a este punto.


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IntroducciónIntroducción


La articulación más importante del cuerpo humano es la rodilla. Se han realizado múltiples estudios al respecto, la mayoría de ellos con modelos simplificados, ya sea por aproximaciones en dos dimensiones o en análisis tridimensionales eliminando partes esenciales de la articulación.

La articulación de rodilla está formada por tres huesos (Fémur, Tibia y Rótula) y por cuerpos deformables (Meniscos) que sirven para eliminar el contacto directo y a reducir la fricción entre los huesos. En esta articulación se encuentran materiales orthotrópicos e isotrópicos los cuales interactúan entre sí. (Fig. 1)


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Introducción


Partes involucradas


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Introducción


Estructura ósea

•Hueso compacto (parte interna, propiedades mecánicas “pobres”)•Hueso poroso (parte externa, propiedades mecánicas “ricas”)•Capa cartilaginosa (capa protectora entre superficies)

Zona cartilaginosa


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Modelación


MaterialesEl fémur (orthotrópico), Tibia (orthotrópico), Rótula (Isotrópico) y Meniscos(orthotrópico), aún y cuando pertenecen a un mismo sujeto de estudio tienen diferentes propiedades mecánicas. Algunas de ellas se muestran a continuación:


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Modelación


El modelo 3D se consideró en extensión, 0 grados, conformado por un solo tipo de material óseo por hueso, el cual es esponjoso, y orthotrópico. Con la finalidad de tener un punto de comparación, se realizaron estudios sobre modelos independientes (cada hueso por separado) en un análisis lineal.

Modelo a analizar

Para el presente estudio se excluyen las partes cartilaginosas del hueso, ya que aunque se conoce su geometría, no se encuentran caracterizadas del todos sus propiedades mecánicas, asiendo impráctico su inclusión en éste. En este estudio se toma en cuenta la interacción de cada parte de la articulación con su entorno óseo.


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ModelaciónDigitalización

Resonancia magnética

Meniscos y Rótula en IronCAD

Errores en el modelo

Modelo digitalizado de Greer-Wang



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Simulación

SimulaciónEtapa 0: DesignSpace

Debido a los pobres resultados obtenidos. Se omite esta etapa.

Modelo en DesignSpace


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Simulación


Etapa 1: Partes por separado

1. Mallado libre, controlado por lineas.2. Restriciones más estrictas.

Modelo que cumple totalmente con la geometría a analizar . Análisis lineal. No cuenta con pares de contacto. Simplemente apoyada.


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Simulación


Etapa 2: Modelo simplificado1) Tener dimensiones aproximadas al

modelo final,2) Estar en base a geometrías básicas

(esferas, elipsoides, etc),3) Lograr un buen mallado de baja

densidad,4) Contener modelos simplificados de cada

una de las partes implicadas en él.5) 2 pares de contacto independientes.

1) Mallado libre2) Restricciones no precisas


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SimulaciónEtapa 3: Modelo reducidoSimulación

Modelo par de contacto 3


Modelo que cumple totalmente con la geometría a analizar exceptuando las partes alejadas de la parte de interés. Cuenta con 4 pares de contactos independientes (superficie a superficie).

1. Mallado libre, controlado por lineas.2. Restriciones más estrictas.



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SimulaciónEtapa 4: Modelo completo


Modelo par de contacto 41. Mallado libre, controlado por lineas.2. Restriciones más estrictas.

Modelo que cumple totalmente con la geometría a analizar . Cuenta con 4 pares de contactos independientes (superficie a superficie).


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ResultadosEtapa 1: Partes por separado


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Resultados

Resultados


Etapa 2: Modelo simplificado


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Resultados


Etapa 3: Modelo reducido


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Resultados


Etapa 4: Modelo completo


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ResultadosResultados


Comparación de resultados

Se omite el modelo simplificado, por ser solamente una fase intermedia para obtener los resultados.

Esfuerzos de VonMises, Fémur. (Pa)


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Conclusiones


El análisis mecánico estructural tridimensional de la articulación de rodilla, articulación más importante del cuerpo humano, es de gran importancia ya que nos aproxima a su conocimiento completo. El lograr este tipo de análisis por simulación en lugar de medios intrusivos o análisis destructivos es una de las grandes metas de la biomecánica.

Para lograr conocer el comportamiento total de la articulación es necesario agregar, todavía, al modelo analizado la parte cartilaginosa que cubre los huesos así como la zona compacta (parte interna). A través de este estudio se dan a conocer varios de los parámetros mas importantes para controlar la geometría, la divergencia de los resultados y su paulatino acercamiento a la convergencia. También se muestra, implícitamente, el método de “evolución del modelo” para conocer los parámetros que nos llevan a lograr los objetivos de este estudio.

Aunado a lo ya explicado, se demuestra la diferencia de resultados entre los análisis lineales y los no lineales y la complejidad que se debe deenfrentar para resolver estos últimos (no linealidades geométricas, no linealidades por contactos, pares de contactos múltiples y materiales altamente deformables).

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