Desarrollo de modelos biomecánicos de la rodilla mediante Método de Elementos Finitos

Abstract

[ES] La rodilla es una de las articulaciones del cuerpo humano más propensa a sufrir una lesión debido a la compleja anatomía que presenta y a la alta carga que soporta. A pesar de las investigaciones desarrolladas hasta el momento, no se conoce por completo el comportamiento mecánico del tejido blando y el origen de sus lesiones. El modelado de las estructuras de la rodilla mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) resulta una herramienta capaz de proporcionar información acerca de las propiedades mecánicas de los tejidos biológicos. En este proyecto se han empleado imágenes de resonancia magnética (RM) de rodilla humana para el desarrollo de modelos biomecánicos de cartílago y meniscos a partir de la segmentación manual de dichos tejidos. La fiabilidad de estos modelos depende de la descripción matemática asignada al comportamiento de los tejidos y de las condiciones de contorno impuestas sobre los mismos. En este caso emplearemos los modelos isotrópicos hiperelásticos de Arruda-Boyce y Neo- Hookean con el fin de comparar la distribución de cargas y desplazamiento entre sujetos sanos, sujetos que presentan degeneración del tejido blando y sujetos con fractura de menisco o degeneración severa del cartílago. Se simula la carga que es ejercida por el peso del cuerpo sobre el cartílago y los efectos de distribución de la carga de los meniscos en los sujetos empleando el Análisis por Elementos Finitos (AEF).

[EN] Knee is one of the joints in the human body most likely to suffer an injury due to its complex anatomy and the high load that it support. In spite of the investigations developed until now, the mechanical behavior of the soft tissue and the origin of its injuries are not completely known. The modeling of knee structures by means of the Finite Element Method (FEM) results in a tool capable of providing information about the mechanical properties of biological tissues. In this project, magnetic resonance imaging (MRI) of the human knee has been used to develop biomechanical models of cartilage and menisci based on the manual segmentation of these tissues. The accuracy of these models depends on the mathematical description assigned to the behavior of the tissues and the constraints imposed on them. In this case we will use the hyperelastic isotropic models of Arruda-Boyce and NeoHookean in order to compare the distribution of loads and displacement among healthy subjects, subjects with soft tissue degeneration and subjects with meniscus fracture or severe cartilage degeneration. The load that is exercised by the weight of the body on the cartilage and the effects of stress distribution of the tension of the menisci on the subjects are simulated using Finite Element Analysis (FEA)

[CAT/VA] El genoll és una de les articulacions del cos humà més propensa a patir una lesió a causa de la complexa anatomia que presenta i a l'alta càrrega que suporta. Malgrat les investigacions desenvolupades fins al moment, no es coneix per complet el comportament mecànic del teixit tou i l'origen de les seues lesions. El modelatge de les estructures del genoll mitjançant el Mètode d'Elements Finits (MEF) resulta una eina capaç de proporcionar informació sobre les propietats mecàniques dels teixits biològics. En aquest projecte s'han emprat imatges de ressonància magnètica (RM) de genoll humà per al desenvolupament de models biomecànicos de cartílag i meniscos a partir de la segmentació manual d'aquests teixits. La fiabilitat d'aquests models depén de la descripció matemàtica assignada al comportament dels teixits i de les condicions de contorn imposades sobre aquests. En aquest cas emprarem els models isotròpics hiperelàsticos de Arruda-Boyce i Neo- Hookean amb la finalitat de comparar la distribució de càrregues i desplaçament entre subjectes sans, subjectes que presenten degeneració del teixit bla i subjectes amb fractura de menisc o degeneració severa del cartílag. Se simula la càrrega que és exercida pel pes del cos sobre el cartílag i els efectes de distribució de la càrrega dels meniscos en els subjectes emprant l'Anàlisi per Elements Finits (AEF).