Experimental and numerical analysis of a knee endoprosthesis numerical model

Análisis experimental y numérico de un modelo numérico de endoprótesis de rodilla

El objetivo de este estudio es crear y verificar un modelo numérico para un implante ortopédico de rodilla Medin Modular investigando la presión de contacto, su distribución y las superficies de contacto. Se llevó a cabo un experimento utilizando películas sensibles a la presión Fuji Prescale y un análisis de elementos finitos (FEA) utilizando el software Abaqus. Los datos experimentales se evaluaron mediante un programa especialmente diseñado y se compararon con los resultados del análisis. El programa de evaluación diseñado se había construido a partir de los resultados obtenidos en un experimento de calibración suplementario. La aplicabilidad del modelo numérico para la predicción del comportamiento real de la endoprótesis se demostró sobre la base de su buena correlación.

INTRODUCCIÓN

El primer implante de articulación de rodilla de tipo articulado se fabricó en 1954 con la aleación Co - Cr - Mo, que sigue siendo uno de los materiales más utilizados para la fabricación de implantes junto con las aleaciones Ti - 6Al - 4V y Ti - Ni [1-6]. En la actualidad, los implantes articulados se utilizan en casos específicos, como los implantes oncológicos, o para casos de daños graves [7]. En 1968 se desarrolló un modelo de implante policéntrico y se inició una nueva era de la aloartroplastia. En los años siguientes se diseñaron prótesis condilares anatómicas con meniscos de polietileno.

El método de los elementos finitos (MEF) ha sido ya una herramienta de desarrollo estándar en ingeniería [8, 9]. El objetivo de diversos análisis de elementos finitos en biomecánica es avanzar en el desarrollo de implantes articulares y hacerlo más eficaz. Por ejemplo, Halloran et al. [10] diseñaron un modelo de EF de una prótesis total de rodilla para utilizarlo en análisis dinámicos explícitos, y Guess et al. [11] crearon un modelo de EF de rodilla con meniscos implementados adecuado también para análisis neuromusculoesqueléticos.

Este artículo se centra en el diseño y la verificación experimental de un modelo numérico del implante ortopédico de rodilla Medin Modular (MM). La prótesis tiene diversas variantes (para reemplazos primarios, de revisión y estabilizados). Por lo tanto, el modelo diseñado puede seguir utilizándose para el análisis de casos individuales. Para verificar el modelo, se investigaron la presión de contacto y su distribución y las superficies de contacto. Los parámetros analizados se seleccionaron basándose en investigaciones publicadas en otros lugares, como. ref. [10]. Las mediciones experimentales se realizaron utilizando las películas sensibles a la presión Fuji Prescale. Las películas son una solución sencilla para medir presiones y tensiones en una amplia gama de campos de investigación, desde la industria aeronáutica, pasando por la industria alimentaria, hasta la biomecánica. Posteriormente, evaluamos los datos experimentales con ayuda de nuestro propio script de Matlab que habíamos programado especialmente para los fines de este experimento.