Evaluación a priori del nivel de sujeción de implantes protésicos mediante análisis de vibraciones con simulaciones patient specific realizadas con el Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM)

Abstract

[EN] The Department of Mechanical and Materials Engineering of the University Polytechnic of Valencia has developed some efficient Finite Element codes in Matlab based on the use of geometry independent Cartesian grids (FEAVox). One of its main numerical features is that the code is able to perform ‘patient specific’ analyzes from medical images. This project is focused on using FEAVox in order to simulate the effect of future surgical operations involving prosthetic implants in a ‘patient specific’ framework, with the main objective of estimating the quality of the connection between bone and object, once it is placed in the patient. This process aims to provide knowledge of the adequacy of the implant beforehand, bearing in mind the needs and the success of future surgical operations of the patient. FEAVox is able to create a finite elements model that represents accurately the bone features near the implant, whose position requirements involve a previous pixelization process and the development of a new Matlab program that allows the user to precisely move and position the object. The use of the techniques shown in this document will allow the development of a new validation process for the specific operation needs in a certain patient, based on the evaluation of changes in the natural frequencies and vibration modes according to the melding level of the bone-implant system. For this reason, a dynamic analysis code will be incorporated to FEAVox. Its results will be used as quality indicators.

Se pretende utilizar un programa de elementos finitos desarrollado en Matlab en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales, cgFEM, para simular operaciones `patient specific¿ de colocación de implantes protésicos, en concreto en prótesis de cadera. Se desea determinar el nivel de sujeción esperado de la prótesis una vez colocada en el paciente a fin de estimar a priori la adecuación del implante a las características del enfermo y el nivel de éxito de la operación. A partir de imágenes médicas (TAC o resonancia magnética) del paciente cgFEM puede obtener automáticamente un modelo de elementos finitos que represente con precisión las características de la estructura ósea donde se colocará el implante. Se pretende que el programa permita también crear un modelo pixelado del implante (similar al modelo de la imagen médica) que pueda ser fusionado con el de la estructura ósea para analizar numéricamente el conjunto hueso-implante. Se ha comprobado que las frecuencias naturales y modos de vibración del conjunto hueso-implante varían notablemente en función del nivel de sujeción. Por lo tanto, se deberá dotar al programa de la capacidad de realizar análisis de frecuencias naturales y modos de vibración cuyos resultados serán utilizados como indicadores del nivel de sujeción entre hueso e implante.

[CA] El Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials de la Universitat Politècnica de València es troba en ple desenvolupament d'un codi d'Elements Finits 3D (FEAVox), programat en Matlab. La característica més notable d’aquest codi resideix en la utilització de mallats cartesians independents de la geometria. Entre les seves moltes possibilitats es troba la de realitzar anàlisis específiques de pacient a partir d'imatges mèdiques. En aquest Treball Fi de Màster es pretén utilitzar FEAVox per simular l'efecte de futures operacions quirúrgiques que involucren la col·locació d'implants protètics en un entorn 'patient specific'. Amb això es pretén determinar el nivell de subjecció esperat de la pròtesi una vegada col·locada en el pacient, amb la finalitat d'estimar, a priori, l'adequació de l'implant a les característiques del malalt i el nivell d'èxit de l'operació. A partir d'imatges mèdiques (TAC o ressonància magnètica), FEAVox és capaç d'obtenir un model d'elements finits que representa amb el suficient nivell d’aproximació les característiques de l'estructura òssia en els voltants de l'implant. La ubicació del implant requereix de la prèvia pixelització i del desenvolupament de una nova eina, també en llenguatge Matlab, que permeta moure i posicionar l'objecte amb certa precisió. La utilització de les tècniques implementades permetrà el desenvolupament d'un procediment nou de valoració de la qualitat de subjecció de la pròtesi per a un determinat pacient, ja que s'ha comprovat que les freqüències naturals i modes de vibració del conjunt os-implant varien notablement en funció de l’esmentat nivell de subjecció. Per aquest motiu, i com a part del procediment definit en aquest document, es dotarà FEAVox amb la possibilitat de realitzar anàlisis modals, els resultats dels quals seran utilitzats com a indicadors de la fixació de la unió.