Montaje de transmisión de cargas

El complejo articular del hombro supone un reto en el conocimiento biomecánico del mismo debido a su complejidad y sus numerosas estructuras implicadas. Cuando un músculo del complejo articular del hombro se tensiona, esa fuerza se transmite hacia el hueso donde se inserta dicho músculo, el cual absorbe gran parte de la tensión y en algunos casos su totalidad, si la tensión supera un umbral, esto provocará modificaciones estructurales en el tejido propio del hueso, causando luxaciones u otras afecciones. A partir de la fotoelasticidad se puede analizar dichas tensiones, partiendo de un modelo simplificado de los músculos implicados en una posición del hombro específica.

Con la literatura investigada y con información del modelo físico basado en cinemática y análisis experimental del complejo articular del hombro (Capítulo 2), se realiza el montaje de transmisión de carga en posición de equilibrio (abducción a 90°). Para esto, se fabrican estructuras óseas sintéticas con una réplica de un implante protésico para la artroplastia invertida de hombro. Una vez validadas las estructuras del hombro con RSA obtenidas con la técnica MRPH del modelo físico construido se identifican las fuerzas en abducción a 90°.

A medida que el brazo abduce a 90°, la dirección de la tracción del deltoides se aproxima a la del supraespinoso (Figura 4.33). Por lo tanto, los pacientes con un gran desgarro del manguito de los rotadores a menudo pueden mantener activamente el brazo abducido a 90° pero no son capaces de abducir activamente hasta los 90° (Simon, 1994).

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Figura 4.33. Dirección de la tracción del deltoides y supraespinoso a 30° y 90° de abducción (Simon, 1994).

El modelo de fuerzas en la posición de equilibro indicada es simplificado, esto quiere decir que no se usan todas las fuerzas musculares que intervienen en abducción a 90°. El estado de equilibrio se consigue con tres cargas de músculos agonistas (deltoides, supraespinoso, subescapular). Se selecciona el deltoides y el supraespinoso porque son los músculos que tienen mayor intervención en esta posición del brazo, mientras que el subescapular es necesario para estabilizar el montaje. El modelo físico simplificado del conjunto hueso – prótesis representa con suficiente aproximación a la realidad el complejo del hombro.

A continuación, se muestra el esquema del montaje de transmisión de cargas con el modelo de fuerzas que actúan en la posición de equilibrio simplificada mencionadas anteriormente (Figura 4.34).

Donde:

FA: Fuerza del músculo subescapular (N). PA: Peso del músculo subescapular (gr). FB: Fuerza del músculo supraespinoso (N). PB: Peso del músculo supraespinoso (gr). FC: Fuerza del músculo deltoides (N). PC: Peso del músculo deltoides (gr).

Se han representado solamente las fuerzas más significativas, ya que los ligamentos y algunos músculos que no se han considerado ejercen una acción también, pero esta no es muy significativa frente al resto. Una vez definidos los músculos que actúan en la posición de equilibrio se determina el valor de la fuerza de cada uno, para esto, se realizan pruebas para dar estabilidad al montaje de transmisión de cargas y finalmente encontrar la fuerza idónea de cada músculo para los ensayos de congelación de tensiones.

El modelo del hombro en abducción se construye con el húmero y la escápula. Una vez que se han fabricado los huesos utilizando la técnica MRPH y se ha comprobado que la articulación del hombro es estable, se procede a colocar una serie de anclajes donde se aplicarán las fuerzas de las acciones en la posición de equilibrio. Con ayuda de la herramienta multiusos DREMEL se realiza perforaciones en los puntos de aplicación de las fuerzas. A continuación, se introduce los anclajes. La escápula se mantiene fija mediante dos placas de metal y una placa de policarbonato para proteger al hueso ya que en las primeras pruebas el conjunto húmero-escápula se rompió, llegando a esta alternativa. La escápula se une a la estructura auxiliar de metal mediante tornillos y tuercas para mantener inmóvil al conjunto durante los ensayos de congelación de tensiones.

En la Figura 4.35 se puede observar el modelo fotoplástico de la escápula con RSA inmovilizado con dos placas de metal, una placa de policarbonato, tornillos y tuercas.

Figura 4.35. Montaje de la escápula con la prótesis

La estructura auxiliar mencionada anteriormente, que hace la función de cámara isoterma, se emplea para sujetar el modelo fotoplástico, disponer las cargas y realizar los ensayos de congelación de tensiones. Se construyó la cámara isoterma empleando materiales resistentes a temperaturas superiores a 60 grados centígrados y de bajo costo. Para esto se cortaron regletas de metal a medida y se unen, de forma que cumplan los requisitos necesarios, para mantener el ensayo a la temperatura indicada. Posteriormente, se colocaron anclajes en la escápula y el húmero para unir la articulación y mantener en equilibrio el ensayo. Este sistema permite ubicar las pesas en posición vertical ya que la transmisión de cargas se realiza por gravedad.

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De esta forma, la acción de las pesas tiene la dirección y el sentido representado en la vista frontal del montaje de cargas de la Figura 4.36 y Figura 4.37.

Figura 4.36. Montaje de cargas. Vista frontal

Figura 4.37. Dirección y sentido de los vectores para el montaje de carga. Vista frontal

En la Figura 4.38 y se identifica el vector de transmisión de cargas y, también, se observa el sentido y la dirección de las fuerzas de los músculos representados. En la Figura 4.40 se presenta la vista lateral del montaje de trasmisión de cargas.

Figura 4.38. Montaje de cargas. Vista superior

Figura 4.39. Dirección y sentido de los vectores para el montaje de carga. Vista superior

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Las fuerzas que actúan en la articulación del hombro en abducción (Figura 4.34) determinan la forma y la configuración que debe tener la estructura sobre la que se sujetará el modelo durante el ensayo (Figura 4.41).

Figura 4.41. Montaje del modelo físico en la estructura auxiliar.

Para calcular las cargas consideradas se realiza 11 experimentos en la posición de equilibrio. El primer ensayo se efectúa con el 10% de la fuerza de cada músculo de un estudio basado en cinemática del hombro, se deja 24 horas y se analiza si existe desplazamiento angular con respecto a los 90° de abducción. Después de realizar algunas pruebas el ensayo se vuelve más estable y el desplazamiento es nulo, se calcula el promedio obtenido en el ensayo de cargas. En la Tabla 4.16 se muestra un resumen de cada prueba para dar estabilidad al montaje de transmisión de cargas.

Tabla 4.16. Pruebas para dar estabilidad al montaje de transmisión de cargas DELTOIDES

(N)

SUPRAESPINOSO (N)

SUBESCAPULAR

(N) Mov. Angular _{en posición} de equilibrio (grados) Modelo físico 30,850 38,300 4,790 Fuerza inicial 3,085 3,830 0,479 Prueba 1 3,085 3,830 0,479 30 Prueba 2 4,067 3,342 2,440 20 Prueba 3 4,459 3,342 3,420 10 Prueba 4 4,165 2,852 3,420 5 Prueba 5 4,165 2,852 2,930 5 Prueba 6 4,263 3,342 2,930 5 Prueba 7 4,067 3,342 2,930 5 Prueba 8 4,165 3,342 2,440 5 Prueba 9 4,165 3,283 2,626 0 Prueba 10 4,067 3,283 2,626 0 Prueba 11 4,067 3,283 2,626 0 Media 4,067 3,281 2,625 Desviación estándar 0,346 0,262 0,789

En la Figura 4.42 se identifica la fuerza del músculo deltoides y supraespinoso en función del músculo subescapular de las pruebas para dar estabilidad al montaje de transmisión de cargas de la Tabla 4.16.

Figura 4.42. Fuerzas del músculo deltoides y supraespinoso en función del músculo subescapular de las pruebas para dar estabilidad al montaje de transmisión de cargas.

A partir de los datos de la Tabla 4.16 se puede calcular un modelo para determinar automáticamente la fuerza del músculo subescapular, el cual es necesario para dar estabilidad al montaje. Las variables independientes son los músculos deltoides y supraespinoso, la variable dependiente es el músculo subescapular. En la Ecuación 4.2 se identifica este modelo a partir de una regresión lineal múltiple.

𝐴 = 0,2 + 1,441𝐶 − 1,042𝐵

Ecuación 4.2. Modelo fuerza músculo subescapular Donde A: Fuerza del músculo subescapular (N).

C: Fuerza del músculo deltoides (N). B: Fuerza del músculo supraespinoso (N).

Gracias al modelo de fuerza del musculo subescapular es más fácil conseguir el equilibrio del hombro en abducción a 90°, a partir de la fuerza del deltoides y supraespinoso. A manera de resumen en la Tabla 4.17 se identifica el resultado del ensayo de cargas.

Tabla 4.17. Resultado del ensayo de cargas

Músculo Fuerza (N) Peso (g)

Deltoides (C) 4,067±0,346 415±33,630

Supraespinoso (B) 3,283±0,262 335±25,525 Subescapular (A) 2,625±0,789 268±76,717

En la Figura 4.43 se observa el montaje del modelo físico en la estructura con la acción de fuerzas que actúan en el conjunto articular del hombro.

2,500 2,700 2,900 3,100 3,300 3,500 3,700 3,900 4,100 4,300 4,500 0,300 0,800 1,300 1,800 2,300 2,800 3,300 FUERZA SUBESCAPULAR (N) DELTOIDES (N) SUPRAESPINOSO (N)

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Figura 4.43. Configuración de equilibrio de fuerzas

El montaje de transmisión de cargas del modelo físico es versátil, simplificado y fácilmente manipulable y constituye, por encima de todo, un montaje idóneo para estudios con Fotoelasticidad 3D.