ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL PIE POR EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

José Eduardo Frias Chimal Estudiante de Maestría

Depto. Ing. Mecánica – Biomecánica

[email protected]

Raúl Lesso Arroyo Profesor Investigador Depto. de Ing. Mecánica

[email protected]

Instituto Tecnológico de Celaya Alma Adriana Camacho P. Profesor Investigador

Depto. De Biomecanica

[email protected]

CIATEC, León Gto.

ANÁLISIS Y SIMULACIÓN

DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL

PIE POR EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

ASESORES: PRESENTA:

Definición del problema

Justificación

Objetivo

Proceso de diseño

Desarrollo del proyecto

Pruebas de Baropodometría

Análisis Dinámico

Análisis Estático

Huella Plantar

Modelo CAD

Digitalizaciones de los huesos

Propiedades de los materiales

Simulación por elemento finito

Resultados

Conclusiones

Referencias

• En México el 70% de las amputaciones de pie ocurren por una atención médica tardía señala el IMSS. • La Diabetes Mellitus es la primera causa de amputaciones según señala el IMSS.

• La segunda causa de amputación la tiene la Aterosclerosis. • La última causa de amputaciones son los accidentes

1

1

Se registran 80 mil

amputaciones de pie

al año en México

Se registran 80 mil

amputaciones de pie

al año en México

2

Transfemoral

Transtibial

S O LU C IÓ N SOCKET

Analizar y simular el comportamiento estructural del pie

1

PROBLEMA S O LU C IÓ N

Costos de prótesis de pie

Costo de prótesis transtibial (mecanismos mecánicos) $10,000 - $33,000 mil Costo de prótesis transfemoral (mecanismos mecánicos) $35,000 mil

Desarticulado de cadera $52,000 mil

Costo de prótesis trasntibial(mecanismo hidráulico) $70,000 -160,000 mil Costo de prótesis trasnfemoral (mecanismo hidráulico) $80,000 - 220,000 mil

Costo de rehabilitación $100.00 - $400.00 hora

Materiales

Movimientos

Adaptaciones

Precio

Mantenimiento

Justificación

Objetivo

Analizar y simular el comportamiento estructural del pie con el fin de obtener datos numéricos que ayuden a:

• Seleccionar nuevos materiales

• Mejorar los prototipos para prótesis teniendo la capacidad de adaptarse a su ambiente laboral

Documentación del proyecto Libros, Tesis

Clínicas, Fundaciones, etc. Búsqueda del estado del arte

Digitalización de huesos

Generación de modelos CAD

Análisis y Simulación del comp. Estructural del pie

Artículos, Tesis, Revistas científicas Memorias de congresos PRO-E IRONCAD UNIGRAPHICS SOLIDWORKS CATIA RHINOCEROS ANSYS Estudio del comportamiento

de prótesis comercial

Proceso de diseño

Análisis y Simulación del comp. Estructural de los dedos

Pruebas de Baropodometría

Nombre: José Luis Peso: 108 Kg Altura: 180 cm Edad: 37 Años Amputación: Transtibial Sexo: Hombre

Baropodometría Media Análisis Dinámico Baropodometría Análisis Dinámico

Análisis dinámico

Pruebas de Baropodometría

Análisis Estático

Baropodometría Análisis Estático

Del modelo óseo se generaron las digitalizaciones de los 26 huesos que conforman el pie, todos ellos fueron generados como modelos sólidos, para mostrar el prototipo virtual y modelo CAD.

El arreglo de los huesos del pie se realizó de acuerdo al ángulo, posición, rotación e inclinaciones correspondientes a cada hueso.

Material No. Componente Ex (GPa) Ey (GPa) Ez (GPa) Gxy (GPa) Gxz (GPa) Gyz (GPa) vxy vxz vyz 2 Fémur 12.0 13.4 20.0 4.53 5.61 6.23 0.38 0.22 0.24 3 Tibia 6.9 8.5 18.4 2.4 3.6 4.9 0.49 0.12 0.14

Propiedades mecánicas ortotrópicas para el hueso cortical del fémur y tibia.

Propiedades mecánicas del hueso cortical humano. Propiedades mecánicas del hueso cortical humano.

Autor(es) Hueso Modo de carga Dirección de la carga Resistencia (MPa) Reilly y Burstein (1974) Fémur Tracción Longitudinal 133.0 Transversal 51.0 Compresión Longitudinal 193.0 Transversal 133.0 Cortante - 68.0 Cezayirlioglu

et al. (1985) * Fémur Tracción Longitudinal 134.5

Tibia 156.0

Fémur Compresión Longitudinal 206.0

Tibia 201.0

Fémur Cortante - 70.0

Tibia 68.0

Simulación y análisis de los dedos

Malla

Número de nodos 134423 Número de elementos 94077

Tipo de elemento

Solid 92

Simulación y análisis de los dedos

Contactos

Simulación horizontal

Simulación con ángulo

Simulación y análisis de los dedos

Esfuerzos Normales

Simulación y análisis del pie

Número de nodos 605020 Número de elementos 193759 Tamaño de elemento

Varía de acuerdo a cada hueso

Tipo de malla

Hexaedros y Tetraedros

Malla

Tipo de elemento

Solid 187

Contactos

Simulación y análisis del pie

Conta 174

Esfuerzos Isotrópico

Esfuerzos Ortotrópico Desplazamientos

Material Esf. Normal Y (MPa)

Desp. eqv

Dedo Pulgar Isotrópico 10.151 0.01847 Ortotrópico 10.201 0.01216 Dedo Índice Isotrópico 15.839 0.034748

Ortotrópico 16.467 0.024628 Dedo Medio Isotrópico 15.678 0.007107 Ortotrópico 16.562 0.004405 Dedo Anular Isotrópico 17.288 0.296978 Ortotrópico 18.45 0.207623 Dedo Menique Isotrópico 33.372 0.691476 Ortotrópico 32.355 0.52493

Esfuerzos y desplazamientos

considerando ángulos en los dedos

Dedo Esf. Normal Y

(MPa) Desp. eqv (mm) Pulgar 14.492 0.00414 Índice 10.817 0.00699 Medio 11.247 0.001601 Anular 14.9 0.004822 Menique 16.14 0.0047

Esfuerzos y desplazamientos

sin considerando ángulos en los dedos

Carga (Kg) Esf. Normal X (MPa) Esf. Normal Y (MPa) Esf. Normal Z (Mpa) Desp. eqv (mm) 80 (Isotrópico) 0.6182 -2.3719 1.1085 -5.8164 0.89382 -3.5523 0.010449 80 (Ortotrópico) 0.60453 -1.9515 1.1052 -5.718 0.98311 -3.9453 0.0087978 110 (Ortotrópico) 0.83123 -2.6833 1.5171 -7.8524 1.3508 -5.4244 0.0012097 270 (Ortotrópico) 2.1427 -5.866 2.284 -16.829 2.0089 -9.7443 0.0029485

Esfuerzos y desplazamientos del pie a diversas cargas

•

El comportamiento biomecánico del pie, es de gran importancia para el entendimiento de la distribución del peso debido a la acción mecánica.

•

Los valores de esfuerzos y desplazamientos obtenidos se utilizarán para la selección de nuevos materiales en la generación de nuevos prototipos de prótesis de pie.

•

Con este tipo de herramientas especializadas se pueden estudiar nuevos modelos de plantillas y disminuir los casos de callosidades y ulceras presentadas en la planta del pie.

•

También servirá para estudiar los diferentes factores, como sobrepeso, flexión, enfermedades del pie, etc., que pueden incrementar la magnitud del daño en las articulaciones de los huesos del pie, y con ello tratar de predecir el comportamiento biomecánico.

[1] R. Viladot, O. Cohi, S. Clavell, Ortesis y protesis del aparato locomotor 2.1 Extremidad inferios, Ed. Masson, 2005.

[2] Rodrigo C Miralles Marrero, IrisMiralles Rull, Biomecánica clínica de los tejido y las articulaciones del aparato locomotor, Ed. Masson, 2ª ed., 2005. [3] Paul Torneto III, Thomas A. Einhorn, Foot and ankle, Ed Lippincott William

and Wilkins, 2004.

[4] Kapandji A. I., Fisiología Articular, Tomo II, 5ta edición, México 1997, Pág. 158-251.

[5] Haut Donahue T. L., Hull M. L., Rashid M.M., Jacobs C.R. “A Finite Element Model of the Human Knee Joint for the Study of Tibio-Femoral Contact”. Journal of Biomechanical Engineering, ASME. Vol. 124. pp. 273-280. June 2002.

[6] TESIS DE MAESTRÍA: “ANÁLISIS, SIMULACIÓN Y PREDICCIÓN DE DESGASTE DE CARTÍLAGO ARTICULAR DE RODILLA” Nov. 2007, Agustín Vidal, Lesso, M.I. Raúl Lesso Arroyo.

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