Tomografía computarizada y sólidos virtuales para obtener modelos biomecánicos computacionales / Computed tomography and virtual solids to obtain computational biomechanical models

Uno de los padecimientos más comunes de los huesos es la fractura, definida como la pérdida de la continuidad del material óseo. Implantes y prótesis son utilizados para tratar algunas de ellas. Actualmente, antes de usar uno de estos dispositivos, se prueban modelos virtuales de los mismos utilizando un programa de diseño asistido por computadora. Para dichas pruebas, se requieren también modelos virtuales de los huesos. Los modelos óseos son obtenidos aplicando técnicas de segmentación de imágenes a las tomografías computarizadas (TC). Este trabajo presenta un procedimiento para la obtención de modelos biomecánicos hueso-implante a partir de las TCs y sólidos virtuales, teniendo en cuenta la estructura real de los huesos, compuesta de tejido cortical y trabecular. Para realizar los análisis de verificación del procedimiento se utilizó un modelo de un implante DHS y de una prótesis de cadera(AU)

One of the most common bone conditions is fracture, defined as the loss of the continuity of the bone material. Implants and prostheses are used to treat some of them. Currently, before using one of these devices, virtual models are tested using a computer-aided design program. For these tests, virtual models of the bones are also required. Bone models are obtained by applying image segmentation techniques to computed tomography (CT). This paper presents a procedure for obtaining biomechanical bone-implant models from the CTs and virtual solids, taking into account the real structure of the bones, composed of cortical and trabecular tissue. A DHS implant model and a hip prosthesis were used to perform the procedure verification tests(AU)

Estudio biomecánico hueso-implante DHS y fijador externo en la consolidación de la fractura de cadera / Étude biomécanique de la vis-plaque dynamique (DHS) et du fixateur externe dans la consolidation de la fracture de hanche / Biomechanical study of bone-DHS implant and external fixator in hip fracture

Objetivos: determinar el comportamiento biomecánico de los conjuntos placa Dinámic Hip Screw-hueso y fijador externo monolateral-hueso y la influencia de estos en la distribución del estado tensional, antes, durante y después de retirado el implante. Métodos: se realizó el estudio aplicando el método de los elementos finitos, se tuvo en cuenta la acción de los músculos y el peso corporal en la fase monopodal del ciclo de marcha, así como las propiedades anisotrópicas en el tejido cortical, e isotrópicas para la parte esponjosa del hueso. Se ejecutó un estudio comparativo del estado tensional del implante y su influencia en la variación del estado tensional-deformacional del hueso, durante el tiempo en que se mantiene el implante en este y luego de ser retirado Resultados: se obtuvo la variación porcentual de las zonas sometidas a tracción y compresión en el hueso sano durante el estado de carga correspondiente a la marcha monopodal, el valor de las tensiones actuantes en cada elemento de los implantes analizados durante la consolidación de la fractura, así como la influencia de estos en la distribución del estado tensional del hueso, durante su funcionamiento y después de retirado el implante. Conclusiones: en relación con el comportamiento mecánico del implante Dinámic Hip Screw y el fijador externo, la situación más desfavorable la presenta el primero, al mostrar tensiones por encima del límite elástico del material en el tornillo inferior de fijación al hueso. Se nota en ambos casos una ligera variación del estado tensional del hueso después de haberse colocado el implante. Al retirar los implantes se produjo una elevación de las tensiones de compresión en los bordes de los agujeros que fijaban uno y otro implante(AU)

Objective: to determine the biomechanical behavior of the bone-Dynamic Hip Screw plate and the bone- monolateral external fixator sets and their influence on the distribution of stress before, during and after the removal of implant. Methods: the study was based on the finite element model, taking into account the muscle actions and the body weight at the monopodal phase of the gait cycle as well as the anisotropic properties of the cortical tissue and the isotropic properties of the spongy part of the bone. A comparative study was also conducted on the stress condition of the implant and its influence over changes in the stress-deformation condition of the bone as long as the implant remains in the bone and after being removed. Results: the variation percentage of the areas under traction and compression in the healthy bone was estimated for the loading condition in the monopodal gait along with the acting stresses in each element of the implants analyzed during the consolidation of fracture and the their influence in the distribution of stresses in the bone during the functioning of implant and after its removal. Conclusions: regarding the mechanical behavior of the Dynamic Hip Screw implant and the external fixator, the most unfavorable situation was found in the first system since stresses were greater than the material's elastic limit in the lower fixation screw. A slight variation of the bone stress was noticed after placing the implant. When both implants were removed, there was a rise of compressive stresses at the borders of the holes they fixed(AU)

Objectif: le but de cette étude est de déterminer le comportement biomécanique de la vis-plaque dynamique (DHS) et du fixateur externe unilatéral, et l'influence de ceux-ci sur la distribution de la tension avant, pendant et après l'enlèvement de l'implant. Méthodes: une étude a été réalisée en utilisant la méthode des éléments finis. On a tenu compte de l'action des muscles et du poids corporel dans la phase d'appui de la marche, ainsi que des propriétés anisotropiques du tissu cortical et isotropiques du corps spongieux de l'os. Une étude comparative de la tension de l'implant et son influence sur la variation de tension et de déformation de l'os avant et après son enlèvement, est effectuée. Résultats: on a obtenu une variation des pourcentages entre les zones soumises à traction et celles soumises à compression de l'os sain au cours de l'état de charge correspondant à la phase d'appui de la marche; un taux des tensions agissant sur chaque élément des implants analysés pendant la consolidation de la fracture, ainsi que leur influence sur la distribution de l'état de tension de l'os au cours son fonctionnement et après l'enlèvement de l'implant. Conclusions: par rapport au comportement mécanique de la vis-plaque dynamique (DHS) et du fixateur externe, on peut conclure que la situation la plus défavorable est présentée par la DHS, dû à ses tensions surmontant la limite élastique du matériel de la vis inférieure de fixation à l'os. Dans tous les deux, on peut constater une légère variation de la tension de l'os après le placement de l'implant. Une fois que les implants sont enlevés, les tensions de compression sur les bords des trous de fixation s'élèvent(AU)

Empleo de elementos finitos en un estudio comparativo de dos sistemas de fijación interna para la fractura de cadera / Emploi des éléments finis dans une étude comparative de deux systèmes de fixation interne pour la fracture de hanche / Use of finite elements in a comparative study of two internal fixation systems for hip fractures

Introducción: existe una gran variedad de sistemas de fijación interna para el tratamiento de las fracturas, por lo que es común que un fijador pueda ser utilizado en diferentes fracturas. Esto trae consigo, que no se sepa con exactitud cuál de los sistemas de fijación interna tendrá mejor comportamiento desde el punto de vista del estado tensional. Objetivo: analizar mediante elementos finitos, el comportamiento de los dispositivos de fijación interna placa DHS y placa a compresión dinámica, utilizados en el tratamiento de las fracturas de cadera. Métodos: el modelo de fémur se obtuvo con autorización del reservorio de modelos óseos del cuerpo humano: The finite element meshes repository of the international society of biomechanics y luego, una tomografía axial computarizada. En los cálculos, se tuvieron en cuenta la acción muscular y el peso corporal en la fase monopodal del ciclo de la marcha, se determinó el estado tensional y el número de ciclos en que los sistemas de fijación interna causaron fallas por fatiga. Resultados: los resultados más desfavorables se encontraron en la placa a compresión dinámica angulada a 130º ya que se alcanzaron los valores de tensiones más altos y el número de ciclos más bajo. Conclusiones: la placa a compresión dinámica angulada a 130º sufre roturas con frecuencia, de ahí que es conveniente utilizar la placa DHS en el tratamiento de la fractura de cadera 31B2.1, siempre que sea posible desde el punto de vista clínico(AU)

Introduction: due to the wide variety of internal fixation systems for the treatment of fractures, it is common practice that the same fixator is used for various fracture types. As a result, it is difficult to tell which of the internal fixation systems will perform better in terms of tensional status. Objective: applying the finite-element method, analyze the behavior of the internal fixation devices DHS plate and dynamic compression plate, used in the treatment of hip fractures. Methods: the model femur was obtained with authorization by the human bone model repository (International Society of Biomechanics FiniteElement Mesh Repository), and studied by computerized axial tomography. Estimations took into account both muscle action and body weight in the monopodal phase of the gait cycle. Determination was made of the tensional status and the number of cycles undergoing fatigue failure. Results: the most unfavorable results corresponded to the 130º-angled dynamic compression plate, which exhibited the highest tension values and the smallest number of cycles. Conclusions: the 130º-angled dynamic compression plate frequently breaks. Hence the advisability of using the DHS plate in the treatment of 31B2.1 hip fractures whenever it is clinically possible(AU)

Introduction: Il y a plusieurs systèmes de fixation interne pour la traitement des fractures, c'est pourquoi l'utilisation de fixateurs est très fréquente. Cela provoque des doutes au moment de choisir le système de fixation interne le plus efficace du point de vue tensionnel. Objectif: Le but de cette étude est d'analyser au moyen des éléments finis le comportement des appareils de fixation interne, tels que la plaque DHS (Dynamic Hip Screw) et la plaque à compression dynamique, utilisés dans le traitement des fracture de hanche. Méthodes: Le modèle du fémur est obtenu sous l'autorisation du réservoir de modèles osseux du corps humain: The finite element meshes repository of the International Society of Biomechanics, et puis une tomographie axiale informatisée. Dans les estimations, l'action musculaire et le poids corporel sont tenus en considération dans la phase d'appui du cycle de la marche, et l'état de tension et le nombre de cycles provoquant l'échec à cause de la fatigue sont déterminés. Résultats: La plaque à compression dynamique sous angle de 130° a eu les résultats les plus défavorables, puisque les valeurs de tension ont été les plus hautes et le nombre de cycles le plus bas. Conclusions: La plaque à compression dynamique sous angle de 130° se brise fréquemment, c'est pourquoi la plaque DHS est conseillée, dès que possible, dans le traitement clinique de la fracture de hanche 31B2.1(AU)