VII CONGRESO INTERNACIONAL Instituto Tecnológico de Celaya

“DESARROLLO DE UNA INTERFASE PARA EL ANÁLISIS DE DESGASTE DE CARTILAGO ARTICULAR DE RODILLA .

ÁREA DE BIOMECÁNICA DEPTO. DE INGRÍA. MECÁNICA PRESENTA: AGUSTÍN VIDAL LESSO SAUL MOLINA DOMÍNGUEZ

COORDINADOR DEL AREA, ITC: M. I. RAUL LESSO ARROYO (ITC) ASESOR IMSS: Dr. LEONEL DAZA BENÍTEZ (IMSS)

ARNULFO PÉREZ PÉREZ ADRIAN LOPEZ CERVANTES

COLABORADORES:

VERONICA ESPINAL

Dr. J. SANTOS GARCÍA MIRANDA M.C. DANIEL AGUILERA CAMACHO ING. FRANCISCO GUTIERREZ VERA

Octubre, 2007. San Miguel de Allende, Gto, México.

CONTENIDO 9Antecedentes 9Producto y su mercado 9 Producción y operación 9 Administración y organización 9Estructura del proyecto - Planteamiento del problema - Hipótesis - Justificación - Objetivo - Impacto - Fundamento teórico - Desarrollo del proyecto 9 Información financiera 9 Conclusiones y comentarios finales

ANTECEDENTES

Articulación de rodilla

Una de las más importantes

Factores de Daño • Osteoartritis

•Desgaste de cartílago

• Sobrepeso

•Desalineación

• Postura

•Dolor

• Lesiones

•Inmovilidad

Movilidad y soporte al cuerpo

Prevenir daño o disminuir o eliminar dolor

INTERFASE GRÁFICA

PRODUCTO Y SU MERCADO Necesidad

HERRAMIENTA DE - DIAGNÓSTICO - PREDICCIÓN - PREVENCIÓN

Producto

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Mercado Desgaste de cartílago

Programas de computadora para evaluación, diagnóstico y prevención de enfermedades Clientes Osteoartritis Centros de salud y hospitales particulares

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

COMPETENCIA NO EXISTEN INTERFASES o programas de computadora que realicen las funciones, diagnósticos y predicciones que ésta interfase ofrece. Método de diagnóstico actual

- técnicas invasivas - resonancias magnéticas - radiografías

Interfase gráfica

- técnica no invasivas - diagnóstico rápido y práctico - radiografías y resonancias

PRODUCCIÓN Y OPERACIÓN Proceso de producción

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Proceso de producción

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Proceso de distribución

Interfase

- Interfase generada - Bases de datos - Ecuaciones

Operación y requisitos de personal

Operación fácil y práctica

Personal médico

Interfase Correcta interpretación de resultados Diagnóstico, predicción o prevención de desgaste de cartílago INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Administración y organización Estructura organizacional

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

ESTRUCTURA DEL PROYECTO Planteamiento del problema

60-70 Casos clínicos graves/año

IMSS-LEON

Osteoartritis

Año 2010

Aprox. 3.5 millones de personas con osteoartritis de rodilla.

“Se cree que el daño es inducido mecánicamente” INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Uso de biomecánica Factores

Rodilla

Desarrollo del fenómeno

Sobrepeso Desalineación Malas posturas

Fenómeno de Desgaste de Cartílago

Hábitos Lesiones Genética

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Hipótesis

• El desarrollo de una herramienta computacional que permita evaluar el estado del cartílago en las condiciones actuales y predecir su estado a condiciones futuras, será una herramienta no invasiva de mucha utilidad en los diagnósticos médicos de osteoartritis y para mejora de la salud de las personas que padecen esta enfermedad. • El análisis biomecánico de la articulación y específicamente el estudio del comportamiento biomecánico del cartílago de rodilla, mediante el uso de la simulación por elemento finito, representará un gran avance en el entendimiento del fenómeno de la osteoartritis.

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Justificación

Año 2010

Aprox. 3.5 millones de personas con osteoartritis de rodilla.

Estudio de los diversos factores que contribuyen al desarrollo de este problema.

Predecir el comportamiento biomecánico de la articulación ante la variación de éstos factores

Mejorar la calidad de vida de pacientes que presentan este tipo de problemas

Disminución de gastos de los sectores de salud pública

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Objetivo Crear una interfase gráfica, la cual permita a los médicos, realizar el diagnóstico de desgaste de cartílago de la rodilla. Objetivos específicos: • Simulación de la articulación de rodilla para crear su prototipo virtual y observar el comportamiento del cartílago a condiciones normales de trabajo. • Diseño y desarrollo de pruebas del prototipo virtual para determinar el efecto de los diferentes factores que pueden favorecer el desgaste de cartílago. • Generación de un modelo matemático que represente el comportamiento del desgaste de cartílago ante los diferentes factores que lo favorecen. • Crear una interfase gráfica para diagnóstico de desgaste de cartílago de la rodilla. • Difundir los resultados de la investigación.

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Impacto biomecánica y simulación Impacto social y económico • Prevenir a las personas de desgaste de cartílago. • Mejorar el nivel de vida de pacientes con este problema. • Disminución de los gastos del sector salud por cirugías de reemplazo y revisión. • Aportación de conocimiento. • Aportación de una herramienta computacional de diagnóstico (la interfase) para los médicos. • Soluciones para prevenir el desgaste de cartílago o disminuirlo. Fundamento teórico • Articulación de rodilla • Cartílago articular • Osteoartritis: desgaste de cartílago • Mecánica de la rodilla • Los ejes de la articulación de la rodilla y ángulo valgus

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

• Variaciones del ángulo valgus • ¿Qué es el MEF? • No linealidad del material. • Análisis de regresión • Regresión Lineal • Regresión no Lineal • Coeficiente de correlación DESGASTE DE CARTÍLAGO

Componentes de la rodilla

Ángulo valgus

Método del Elemento Finito (MEF)

Osteoartritis de rodilla

Análisis de esfuerzos y deformaciones

Discretizar

Modelo CAD INTERFASE GRÁFICA

Modelo elemento finito DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Elemento finito a utilizar: SOLID92 -Tetraedro de 10 nodos - 3 gdl (ux, uy, uz) / nodo - Ajustable a mallas irregulares - Soporta plasticidad, creep, grandes deformaciones, etc.

Pares de contactos del modelo:

- fémur-cartílago Pares de contactos definidos

- cartílago-cartílago - tibia-cartílago

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Generación de modelos matemáticos

Análisis de regresión no-lineal Algoritmo de Levenberg-Marquard

Minimiza la función de la suma de residuos al cuadrado n

r S (α ) = ∑ [ y i − m (x , α )]2 r

i =1

Desarrollo del proyecto Modelo CAD

Espesor de cartílago: -Falcovitz, Y. H.: 2.25 mm en los cóndilos femorales. -Barbu-Mcinnis M.: 2.224 mm en la meseta tibial. INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Consideraciones realizadas y modelo de elemento finito - Modelo recortado de huesos - Cartílago: material isotrópico, homogéneo y lineal

-Huesos: materiales ortotrópicos - Modelo alineado, 0º flexión

Resultados para el caso normal (alineado, 0º flexión)

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Estudio de los factores que favorecen la osteoartritis

RESULTADOS

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

.5 18 7 Val

18 5

gus (º

)

.5 18 2

18 0

.5 17 7

50 0

10 0 0

15 0 0

20 0 0

25 0 0

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 18

(N ) rga Ca

2500 2000

5 18

4

Angu lo

2 ⎛ ⎛ (θ − e ) ⎞ ⎞⎟ ⎜ ⎟ σ ( w , θ ) = a + bw + cw + d exp − 0.5⎜⎜ ⎜ f ⎟⎠ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝

3 18

varum

1500 18

2 18

1

(º)

⎛

2

1000 0 18

9 17

rg Ca

a

(N

Esfuerzos (MPa)

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4

Esfuerzos (MPa)

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4

Esfuerzo (MPa)

Esfuerzo (MPa)

Comportamiento de cartílago

)

500

⎛ − (θ − e ) ⎞ (θ − e ) ⎞ ⎟⎟ − + 1⎟⎟ f f ⎠ ⎝ ⎠

σ ( w , θ ) = a + bw + cw 2 + d exp⎜⎜ − exp⎜⎜ ⎝

Interfase generada

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Interfase generada

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Predicción de daño

¾ Tipo de dolor . ¾

Grado de intensidad del dolor.

¾

Medición de espesor con resonancia magnética.

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Información financiera

Financiamiento

• ITC • DGEST • IMSS • Presidencia Municipal de Valle de Santiago • Recursos propios Interfase

Centros de salud pública

Instituciones privadas

Costo más económico

Costo diferente (100 % +)

Ahorro ($$$$)

Prótesis, consultas de revisión, cirugías

INTERFASE GRÁFICA

El costo aprox. actual del producto sería de $3,000.00 por licencia de uso y cada año se realizaría la renovación de ésta. DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Actualización y mejora continua de la interfase

Interfase

Actualización

Mejoras

Investigación

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Conclusiones y comentarios finales Simulación biomecánica

mejor calidad de vida

Estudio de fenómenos biomecánicos soluciones prevención

herramienta clave

predicción

En lugar de hacer pruebas destructivas o invasivas

Investigación

INTERFASE GRÁFICA

Simulación de computadora

Conjunto de valores obtenidos y ecuaciones generadas

Interfase

DIAGNÓSTICO

Esto representa una gran éxito en biomecánica

Manejo rápido, sencillo y práctico

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Conclusiones y comentarios finales

Interfase

Herramienta de diagnóstico para los médicos

desgaste de cartílago

- Zona de daño - Predicción - Prevención

Mejor calidad de vida para personas con osteoartritis

Alto impacto en centros de salud pública

Ahorro ($$$$)

Disminución de uso de prótesis, consultas de revisión, cirugías

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

INTERFASE GRÁFICA

DIAGNÓSTICO

DESGASTE DE CARTÍLAGO

Reflexión

Ni debes pavonearte ante el mundo como vencedor ni hundirte ni lamentarte como vencido; alégrate con lo que es digno de alegría, no te rindas, con exceso ante las desventura, conoce el ritmo que mantiene a los hombres en sus limites. Arquíloco de Paros

Principales componentes de la rodilla humana: •Fémur •Tibia

Cartílago articular

•Cartílago articular •Rótula •Meniscos Cóndilo lateral “Si quieres conversar conmigo define los términos” VOLTAIRE

Cóndilo medial

Flexión

Ángulo Valgus

Movimientos activos

Flexión

Aducción

Extensión

Rotación interna

Abducción

Rotación externa