Análisis computacional de la articulación de la rodilla : aplicación en la reconstrucción del ligamento cruzado anterior

Abstract

En otras palabras, es la aplicación de la mecánica de medios continuos para el estudio de estructuras que soportan determinadas cargas. Definiendo a la estructura como la parte resistente de un sistema, se puede considerar al sistema óseo (huesos, cartílagos, ligamentos y tendones) junto al muscular de los vertebrados, como una estructura que provee resistencia, rigidez y movilidad a dichos organismos. De esta forma, es que la biomecánica no es ajena a la ingeniería estructural, sino que es parte de ella. El cuerpo humano es un sistema mecánico extremadamente intrincado y versátil. Por su parte, la Articulación de la Rodilla (AR) es una de las articulaciones más complejas y demandadas debido a que tiene que soportar grandes cargas, mientras que su estructura debe permitir movimientos triaxiales sin perder la estabilidad ni el control motor. Además, la deficiencia del Ligamento Cruzado Anterior (LCA) es una de las lesiones más comunes y afecta a 1 de cada 3000 personas al año en Estados Unidos, que en términos económicos internacionales significan al rededor de U$S 10.000 por lesionado. Extrapolando estos valores a Uruguay, se lesionarían alrededor de 1000 personas al año costándole al país 10 millones de dólares aproximadamente. Sumado a esto, una lesión de LCA normalmente conlleva a más de una de las causas que provocan un deterioro de las superficies articulares u Osteoartritis. Muchos estudios sobre la AR han sido llevados a cabo tanto in-vivo como in-vitro y los resultados muestran una gran variabilidad entre pacientes y edades. El objetivo de este trabajo es dar los primeros pasos hacia el desarrollo de un procedimiento que permita cuantificar la salud de la AR específica de cada paciente, mediante una técnica no invasiva. Este procedimiento está basado en dos pasos; la captura del movimiento, y la simulación numérica mediante el método de los elementos finitos. Para la primer etapa, la captura de movimiento, se designó un experimento de subir un escalón, para grabar los movimientos de la AR mediante estero-fotogrametría, usando el reconocido protocolo Plug-in Gait desarrollado por VICON Motions Systems. Se grabaron las trayectorias de marcadores ubicados sobre la piel de los miembros inferiores del paciente y se extrajeron las curvas de la cinemática de la AR. Estos datos se procesaron para obtener las curvas de Flexo-Extensión y de Rotación Interna-Externa, para usar como condición de borde en el modelo de elementos finitos de la articulación tibiofemoral del paciente. Como segunda parte, se desarrollaron dos modelos de elementos finitos 3D de una AR, partiendo del modelo suministrado por el proyecto OpenKnee para utilizar en FEBio. El primer modelo simula una AR genérica sana, usando como variable de entrada la cinemática obtenida previamente. Los resultados fueron comparados con la literatura de referencia. El segundo modelo representa una AR a la cual se le practicó una reconstrucción de LCA. Sobre este modelo se crearon seis configuraciones diferentes y sus resultados fueron contrastados con aquellos correspondientes al modelo de AR sana. Las seis AR reconstruidas están compuestas por tres modelos que utilizan diferentes propiedades materiales para el injerto (representando: Tendón Patelar, músculo Semitendinoso y músculo Gracilis), y tres que tienen diferentes ubicaciones para las inserciones femorales. Como resultado, se muestra la dinámica de la AR y la distribución de tensiones del ligamento (o del injerto) de este sistema complejo mientras se sube un escalón. Por un lado, en términos generales, los resultados de la AR sana concuerdan con los presentados en la literatura de referencia. Por otro lado, las fuerzas y los momentos para las reconstrucciones de LCA reafirman que la posición óptima para la ubicación de la inserción femoral es el centro de la huello del LCA original. Además, se concluye que la restauración de la biomecánica de la AR es mucho más sensible a la ubicación del túnel femoral que a las propiedades mecánicas del injerto en el rango de variaciones que se tomaron en cuenta en este trabajo.