Caracterización numérica del comportamiento mecánico de una prótesis de cadera

Abstract

[ES] El propósito del presente trabajo es realizar un estudio del comportamiento mecánico de diferentes tipos de prótesis de cadera. Su finalidad es analizar cómo afectan el peso y la composición de materiales a las tensiones máximas generadas. Para ello, se han creado tres modelos geométricos de prótesis de cadera: un diseño unimodular, formado por un único sólido compuesto por el vástago y la cabeza femoral; uno modular, cuyos componentes femoral y acetabular son sólidos independientes, formando un par articular; y un diseño biarticular que incorpora un segundo par articular, llamado biarticular. Tras su modelado se han importado a un programa de análisis y simulación numérica para evaluar su probabilidad de fallo. De estos tres modelos sólo se han podido analizar el unimodular y el modular, debido a que la cantidad de nodos y elementos generados para el mallado de la prótesis biarticular necesario para el análisis excedía el máximo establecido por la licencia del programa utilizado de la que se ha dispuesto. Las condiciones generales del ensayo han sido las más desfavorables, es decir, las correspondientes a la fase de apoyo del ciclo de la marcha, cuando todo el peso del individuo recae sobre la prótesis. Para hacer la simulación estática de las condiciones de carga que soportan las prótesis en esta situación se ha utilizado el método de los elementos finitos (MEF). Además, se han analizado los efectos que provocan la variación del peso y de los materiales en las tensiones generadas en los diseños, estudiando la probabilidad de fallo siguiendo el criterio de Von Mises en cada uno de los casos. Los resultados del estudio son comparables a los obtenidos en la literatura. En ninguno de los análisis la prótesis presenta probabilidad de fallo destacable. Los resultados también muestran que el aumento de peso provoca un incremento de la tensión máxima de Von Mises. Este es el fenómeno debido al cual, las prótesis articuladas no suelen indicarse para personas con sobrepeso. Sin embargo, la variación de los materiales no supone un cambio relevante en la tensión máxima que soporta el implante. Del estudio realizado, se concluye que la geometría de la prótesis es el factor que más influye en las tensiones soportadas. Ninguno de los modelos presenta riesgo de fallo por lo que la selección de un diseño u otro la realiza el profesional evaluando a cada paciente.

[CA] El propòsit del present treball es realizar un estudi del comportament mecànic de diferents tipus de pròtesis de maluc. La seua finalitat es analitzar com afecten el pes i la composició de materials a les tensions màximes generades. Per això, s’han creat tres models geomètrics de pròtesis de maluc: un disseny unimodular, format per un únic sòlid compost pel plançó i el cap femoral; un altre modular, amb component femoral i component acetabular independents, format un parell articular; i un disseny biarticular que incorpora un segon parell, anomenat biarticular. Després del seu modelat s’han importat a un programa de anàlisi i simulació numèrica per evaluar la seua probabilidad de fracàs. D’aquestos tres models tan sols s’han pogut analitzar el unimodular i el modular, a causa de la quantita de nodes i elements generats per al mallat de la pròtesi biarticular necessari per a l’anàlisi excedia el màxim establert per la llicència del programa utilizat de la qual s’ha dispossat. Les condicions generals del assaig han estat les més desfavorables,es a dir, les corresponents a la fase de suport del cicle de la marxa, quan tot el pes de l’individu recau sobre la pròtesi. Per fer la somulació estàtica de les condicions de càrrega que suporten les pròtesis en aquesta situación s’ha utilitzat el mètode dels elements finits (MEF). A més a més, s’han analitzat els efectes que provoquen la variació del pes i dels materials a les tensions generades en els dissenys, estudiant la probabilitat de fracàs segons el criteri de Von Mises en cadascun dels casos. Els resultats de l’estudi son comparables als obtinguts a la literatura. En cap de les anàlsis la pròtesi presenta probabilitat de fracàs destacable. Els resultats també mostren que l’augment de pes provoca un increment de la tensió máxima de Von Mises. Este es el fenomen degut al qual, les pròtesis articulades no solen indicar-se per persones amb sobrepès. Malgrat això, la variació dels materials no suposa un canvi relevant a la tensió máxima que suporta l’implant. De l’estudi realitzat, es pot concloure que la geometría de la pròtesi és el factor que més influeix a les tensions suportades. Cap d’aquestos models presenta risc de fracàs per la qual cosa la selección d’un disseny o un altre la realitza el professional avaluant a cada pacient.

[EN] The purpose of this work is to conduct a study about the mechanical behavior of different types of hip prostheses. The aim is to analyze how the weight and composition of materials affect the maximum stresses generated. For that, three geometric models of hip prosthesis were created: a unimodular design, formed by a single solid composed of a stem and a femoral head; a modular design, whose femoral and acetabular components are independent solids, forming an articulate pair; and a biarticular design that incorporates a second articulating pair, called biarticular. Once they were modelled, they were imported into a numerical simulation and analysis program to evaluate the probability of failure. Of these three models, only the unimodular and the modular models were analyzed, since the number of nodes and elements generated for the meshing of the biarticular prosthesis necessary for the analysis exceeded the maximum number of nodes established by the license of the used program. The case study used for the assessment of the mechanical behaviour of the prothesis was the most unfavourable position of the leg this is, that corresponding to the stance-phase of the gait cycle, when the prothesis undergoes the entire weight of the individual. To make the static simulation of the loading conditions that support the prothesis in this situation the finite element method (FEM) was used. In addition, the effects caused by the variation of weight and the materials in the stresses generated on the designs were analysed, studying the probability of failure provided by the Von Mises criterion in each one of the cases. The results of the study are comparable to those reported in the literature. In none of the analyses, the prosthesis presents a remarkable failure probability. The results also show that the weight increase causes an increase of the maximum Von Mises stress. This is the reason why articulated prostheses are not usually indicated for overweight people. However, the variation of the materials does not imply a relevant change in the maximum stress that the implant supports. The conclusion of this work is that the geometry of the prosthesis is the factor that most influences the supported stresses. None of the models presents a risk of failure, so the selection of one design or another is made by the professional under the evaluation of each particular patient.