La función de la prótesis en la columna vertebral es unir y fijar la vertebras junto con el implante óseo central, este último generalmente extraído de la cadera del paciente. La prótesis se fija lateralmente a la columna mediante seis tornillos de rosca profunda y corrida, con la cabeza en forma de lenteja y estría en cruz, los mismos que actúan en tracción. El estar roscados en toda su extensión permite una buena fijación en la cortical (parte dura del tejido óseo) opuesta de la vértebra. Para la introducción de estos tornillos llamados "de cortical" se debe pasar previamente el macho que corresponda.
La elaboración del sistema Omega 21(Figura 2.) se logró mediante información consultada en internet y en la cual se obtuvo el diámetro de la cánula (4,66mm) y el diámetro de las barras (4,66mm) el cual cuenta con un acabado de superficie lisa que facilita el desplazamiento del tornillo/acople. Este sistema Omega 21 es elaborado en dos materiales, los cuales se enuncian a continuación:
Aleación de titanio (Ti-6Al-4V). Acero inoxidable 316 LVM Bioline.
Fuente: Biomet
Figura 3. Sistema Omega
CARGAS APLICADAS
Tomado de la tesis doctoral OSTEOSÍNTESIS DE LA VERTEBRA FACTURADA ESTUDIO BIOMECÁNICO Y CLÍNICO ANÁLISIS Y RESULTADOS de la UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BARCELONA, en donde se considera una persona de talla media y no se tiene en cuenta la acción muscular. Las magnitudes de las cargas que soporta la columna son 8 N.m de momento flector y una carga a compresión de 400 N equivalente al peso del cuerpo, ambas cargas son aplicadas en la parte superior de la vértebra L4.
La vertebra S1 tiene una sujeción fija en aquellos puntos en donde tiene contacto con la cadera.
Figura 4. Cargas aplicadas en el modelo
El momento flector fue descompuesto en una fuerza aplicada en un extremo de la vértebra, otra fuerza con igual magnitud fue puesta en el centro de la vértebra con el fin de que la fuerza resultante sea 400 N hacia abajo.
DISCRETIZACIÓN
Para realizar este estudio se crea una malla sólida con las siguientes características:
CARACTERÍSTICAS DE LA MALLA | |
Tipo de malla | Malla sólida |
Mallador utilizado | Malla estándar |
Puntos jacobianos | 16 puntos |
Control de malla | Definida |
Tamaño de elementos | 6.47414 mm |
Tolerancia | 0.323707 mm |
Calidad de malla | Elementos cuadráticos de alto orden |
Número total de nodos | 56866 |
Número total de elementos | 35118 |
Máxima relación de aspecto | 179.84 |
-1341642213e elementos con relación de aspecto < 3 | 1.04e-184 |
1432389572e elementos con relación de aspecto > 10 | 1.04e-184 |
% de elementos distorsionados (Jacobiano) | 5.91 |
En el sistema Omega 21 se refina la malla ya que es donde se necesitan saber los datos con una mejor precisión:
CONTROL DE MALLA SISTEMA OMEGA 21 | |
Tipo de malla | Malla sólida |
Tamaño | 2.45854mm |
Coeficiente | 1.5 |
Capas | 1000 |
Figura 5. Malla solida del modelo
RESULTADOS OBTENIDOS
En los resultados obtenidos se observa que el implante que está hecho de acero inoxidable presenta zonas en la que los esfuerzos de 192.3 M Pa los cuales sobrepasan el límite elástico el cual es de 137.89 M Pa
Figura 6. Tensión de Von Misses análisis estático.
Figura 7. Punto donde se presenta el máximo esfuerzo.
Los desplazamientos no son significativos, el máximo desplazamiento es de 0.422mm
Figura 8. Punto de máximo desplazamiento
El implante presenta zonas en las cuales no presenta factor de seguridad las cuales tiene valores de hasta 0.72
Figura 9. Factor de seguridad.
El implante hecho de Titanio muestra un mejor comportamiento ante las cargas, presenta un esfuerzo máximo de 185.7 M Pa lo cual es menor en comparación a la prótesis de acero inoxidable.
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Figura 10. Análisis implante de Titanio.
En cuanto a los desplazamiento, el implante de Titanio tiene un desplazamiento máximo de 0.563mm un poco mayor al presentado en el implante hecho de acero inoxidable.
Figura 11. Punto de máximo desplazamiento.
El factor de seguridad se incrementa notablemente en este implante comparado con el anterior, tiene un valor mínimo de 5.66
Figura 12. Factor de seguridad
El implante de Titanio también es sometido a una prueba de fatiga la cual se realiza con LR=0 y a una cantidad de 100000 ciclos.
Figura 13. Daño acumulado
Como se puede observar en la figura 13 el daño acumulado es igual a 0,1 tanto el mínimo como el máximo. El factor de seguridad a la fatiga tiene 1.606 como el valor mínimo.
Figura 14. Factor de seguridad a la fatiga.
CONCLUSIONES
Ambos implantes ofrecen pocos desplazamientos lo cual es bueno para este tipo de prótesis.
Este estudio fue realizado en condiciones de pacientes estándar, por lo cual se debe de tener precaución especialmente en personas con alto índice de masa corporal, ya que esto aumenta los esfuerzos y reduce los parámetros de seguridad.
Se debe tener en cuenta que estas simulaciones depreciaban factores como los músculos, los cuales pueden causar variaciones en los resultados.
Los implantes de acero inoxidable no se recomiendan para esta zona, ya que no muestra un buen comportamiento ante las cargas y momentos que en este lugar se presentan.
Los implantes de Titanio tiene enormes ventajas sobre los de acero inoxidable, ya que ofrecen unos buenos factores de seguridad estáticos y a la fatiga.
Se debe garantizar larga vida útil a estos implantes, ya que de esto depende una buena recuperación del paciente y mayor seguridad para este.
BIBLIOGRAFÍA
ISMAEL ESCRIBÁ URIOS, Osteosíntesis De La Vertebra Facturada Estudio Biomecánico Y Clínico Análisis Y Resultados, Universidad Autónoma De Barcelona, Tesis Doctoral 2006.
M. H. Luque, Optimized design of an artificial spine by finite elements structural analysis.
http://www.biomet.es/es-medical/columna/degen/omega
Autor:
Diana S. Graciano B
Facultad de ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia
José Andrés Gómez B
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia
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