Análisis de micromovilidad en vástagos femorales mediante ensayo dinámico de oscilaciones libres

La artroplastia de cadera se considera uno de los mayores avances quirúrgicos de la Medicina. La aplicación de esta técnica de Traumatología se ha incrementado notablemente en los últimos anos, a causa principalmente del progresivo incremento de la esperanza de vida. En efecto, con la edad aumentan los problemas de artrosis y osteoporosis, enfermedades típicas de las articulaciones y de los huesos que requieren en muchos casos la sustitución protésica total o parcial de la articulación. El buen comportamiento funcional de una prótesis depende en gran medida de la estabilidad primaria, es decir, el correcto anclaje de la prótesis en el momento de su implantación. Las prótesis no cementadas basan su éxito a largo plazo en la osteointegración que tiene lugar entre el material protésico y el tejido óseo, y para lograrla es imprescindible conseguir unas buenas condiciones de estabilidad primaria. El aflojamiento aséptico es la principal causa de fallo de artroplastia total de cadera. Este es un fenómeno en el que, debido a complejas interacciones de factores mecánicos y biológicos, se producen movimientos relativos que comprometen la funcionalidad del implante. La minimización de los correspondientes danos depende en gran medida de la detección precoz del aflojamiento. Para lograr la detección temprana del aflojamiento aséptico del vástago femoral se han ensayado diferentes técnicas, tanto in vivo como in vitro: análisis numéricos y técnicas experimentales basadas en sensores de movimientos provocados por cargas transmitidas natural o artificialmente, tales como impactos o vibraciones de distintas frecuencias. Los montajes y procedimientos aplicados son heterogéneos y, en muchas ocasiones, complejos y costosos, no existiendo acuerdo sobre una técnica simple y eficaz de aplicación general. Asimismo, en la normativa vigente que regula las condiciones que debe cumplir una prótesis previamente a su comercialización, no hay ningún apartado referido específicamente a la evaluación de la bondad del diseño del vástago femoral con respecto a la estabilidad primaria. El objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología para el análisis, in vitro, de la estabilidad de un vástago femoral implantado, a fin de poder evaluar las técnicas de implantación y los diferentes diseños de prótesis previamente a su oferta en el mercado. Además se plantea como requisito fundamental que el método desarrollado sea sencillo, reversible, repetible, no destructivo, con control riguroso de parámetros (condiciones de contorno de cargas y desplazamientos) y con un sistema de registro e interpretación de resultados rápido, fiable y asequible. Como paso previo, se ha realizado un análisis cualitativo del problema de contacto en la interfaz hueso-vástago aplicando una técnica optomecánica del campo continuo (fotoelasticidad). Para ello se han fabricado tres modelos en 2D del conjunto hueso-vástago, simulando tres tipos de contactos en la interfaz: contacto sin adherencia y con holgura, contacto sin adherencia y sin holgura, y contacto con adherencia y homogéneo. Aplicando la misma carga a cada modelo, y empleando la técnica de congelación de tensiones, se han visualizado los correspondientes estados tensionales, siendo estos más severos en el modelo de unión sin adherencia, como cabía esperar. En todo caso, los resultados son ilustrativos de la complejidad del problema de contacto y confirman la conveniencia y necesidad de la vía experimental para el estudio del problema. Seguidamente se ha planteado un ensayo dinámico de oscilaciones libres con instrumentación de sensores resistivos tipo galga extensométrica. Las muestras de ensayo han sido huesos fémur en todas sus posibles variantes: modelos simplificados, hueso sintético normalizado y hueso de cadáver, seco y fresco. Se ha diseñado un sistema de empotramiento del extremo distal de la muestra (fémur) con control riguroso de las condiciones de anclaje. La oscilación libre de la muestra se ha obtenido mediante la liberación instantánea de una carga estética determinada y aplicada previamente, bien con una maquina de ensayo o bien por gravedad. Cada muestra se ha instrumentado con galgas extensométricas convencionales cuya señal se ha registrado con un equipo dinámico comercial. Se ha aplicado un procedimiento de tratamiento de señal para acotar, filtrar y presentar las respuestas de los sensores en el dominio del tiempo y de la frecuencia. La interpretación de resultados es de tipo comparativo: se aplica el ensayo a una muestra de fémur Intacto que se toma de referencia, y a continuación se repite el ensayo sobre la misma muestra con una prótesis implantada; la comparación de resultados permite establecer conclusiones inmediatas sobre los efectos de la implantación de la prótesis. La implantación ha sido realizada por un cirujano traumatólogo utilizando las mismas técnicas e instrumental empleadas en el quirófano durante la práctica clínica real, y se ha trabajado con tres vástagos femorales comerciales. Con los resultados en el dominio del tiempo y de la frecuencia de las distintas aplicaciones se han establecido conclusiones sobre los siguientes aspectos: Viabilidad de los distintos tipos de muestras sintéticas: modelos simplificados y fémur sintético normalizado. Repetibilidad, linealidad y reversibilidad del ensayo. Congruencia de resultados con los valores teóricos deducidos de la teoría de oscilaciones libres de barras. Efectos de la implantación de tallos femorales en la amplitud de las oscilaciones, amortiguamiento y frecuencias de oscilación. Detección de armónicos asociados a la micromovilidad. La metodología se ha demostrado apta para ser incorporada a la normativa de prótesis, es de aplicación universal y abre vías para el análisis de la detección y caracterización de la micromovilidad de una prótesis frente a las cargas de servicio. ABSTRACT Total hip arthroplasty is considered as one of the greatest surgical advances in medicine. The application of this technique on Traumatology has increased significantly in recent years, mainly due to the progressive increase in life expectancy. In fact, advanced age increases osteoarthritis and osteoporosis problems, which are typical diseases of joints and bones, and in many cases require full or partial prosthetic replacement on the joint. Right functional behavior of prosthesis is highly dependent on the primary stability; this means it depends on the correct anchoring of the prosthesis at the time of implantation. Uncemented prosthesis base their long-term success on the quality of osseointegration that takes place between the prosthetic material and bone tissue, and to achieve this good primary stability conditions is mandatory. Aseptic loosening is the main cause of failure in total hip arthroplasty. This is a phenomenon in which relative movements occur, due to complex interactions of mechanical and biological factors, and these micromovements put the implant functionality at risk. To minimize possible damage, it greatly depends on the early detection of loosening. For this purpose, various techniques have been tested both in vivo and in vitro: numerical analysis and experimental techniques based on sensors for movements caused by naturally or artificially transmitted loads, such as impacts or vibrations at different frequencies. The assemblies and methods applied are heterogeneous and, in many cases, they are complex and expensive, with no agreement on the use of a simple and effective technique for general purposes. Likewise, in current regulations for governing the conditions to be fulfilled by the prosthesis before going to market, there is no specific section related to the evaluation of the femoral stem design in relation to primary stability. The aim of this thesis is to develop a in vitro methodology for analyzing the stability of an implanted femoral stem, in order to assess the implantation techniques and the different prosthesis designs prior to its offer in the market. We also propose as a fundamental requirement that the developed testing method should be simple, reversible, repeatable, non-destructive, with close monitoring of parameters (boundary conditions of loads and displacements) and with the availability of a register system to record and interpret results in a fast, reliable and affordable manner. As a preliminary step, we have performed a qualitative analysis of the contact problems in the bone-stem interface, through the application of a continuous field optomechanical technique (photoelasticity). For this proposal three 2D models of bone–stem set, has been built simulating three interface contact types: loosened an unbounded contact, unbounded and fixed contact, and bounded homogeneous contact. By means of applying the same load to each model, and using the stress freezing technique, it has displayed the corresponding stress states, being more severe as expected, in the unbounded union model. In any case, the results clearly show the complexity of the interface contact problem, and they confirm the need for experimental studies about this problem. Afterward a free oscillation dynamic test has been done using resistive strain gauge sensors. Test samples have been femur bones in all possible variants: simplified models, standardized synthetic bone, and dry and cool cadaveric bones. An embedding system at the distal end of the sample with strong control of the anchoring conditions has been designed. The free oscillation of the sample has been obtained by the instantaneous release of a static load, which was previously determined and applied to the sample through a testing machine or using the gravity force. Each sample was equipped with conventional strain gauges whose signal is registered with a marketed dynamic equipment. Then, it has applied a signal processing procedure to delimit, filter and present the time and frequency response signals from the sensors. Results are interpreted by comparing different trials: the test is applied to an intact femur sample which is taken as a reference, and then this test is repeated over the same sample with an implanted prosthesis. From comparison between results, immediate conclusions about the effects of the implantation of the prosthesis can be obtained. It must be said that the implementation has been made by an expert orthopedic surgeon using the same techniques and instruments as those used in clinical surgery. He has worked with three commercial femoral stems. From the results obtained in the time and frequency domains for the different applications the following conclusions have been established: Feasibility of the different types of synthetic samples: simplified models and standardized synthetic femur. Repeatability, linearity and reversibility of the testing method. Consistency of results with theoretical values deduced from the bars free oscillations theory. Effects of introduction of femoral stems in the amplitude, damping and frequencies of oscillations Detection of micromobility associated harmonics. This methodology has been proved suitable to be included in the standardization process of arthroplasty prosthesis, it is universally applicable and it allows establishing new methods for the analysis, detection and characterization of prosthesis micromobility due to functional loads.

Análisis biomecánico del segmento de la carrera a pie de la competición en triatlón

El principal objetivo de la presente investigación fue el conocer el perfil de rendimiento técnico de los triatletas, desde un punto de vista biomecánica, en el segmento carrera a pie durante la competición en triatlón. Asimismo, como el genero y el nivel deportivo del triatleta podrían influir en su respuesta motriz durante la competicion. Para ello, se necesitaba desarrollar y validar una técnica experimental que fuera lo suficientemente precisa (validez interna), con una alta fiabilidad y con una gran validez externa (ecologica) debido al entorno de la competicion. La muestra la formaron un total de 64 deportistas: 32 triatletas participantes en la Copa del Mundo de Triatlon de Madrid-2008 (16 hombres y 16 mujeres) y 32 triatletas participantes en el Clasificatorio del Campeonato de Espana Elite (16 hombres y 16 mujeres). El análisis de la técnica de carrera de los deportistas se realizo mediante un sistema fotogramétrico en 2d que permitió calcular las coordenadas (x,y) de los centros articulares con un error de 1.66% en el eje x y de un 2.10% en el eje y. Las imágenes fueron obtenidas por una cámara que filmaba el movimiento en un plano antero-posterior del triatleta. Algoritmos basados en la DLT (Abdel-Aziz & Karara, 1971) permitieron conocer las coordenadas reales a partir de las coordenadas digitalizadas en el plano y posteriormente las distintas variables analizadas. El análisis biomecánica de la carrera se realizo en 4 ocasiones diferentes durante la competición, correspondiendo con cada una de las vueltas de 2,5 km, que el triatleta tenía que realizar. La velocidad de carrera resulto estar íntimamente ligada al nivel deportivo del triatleta. Del mismo modo, 3 de los 4 grupos analizados presentaron valores inferiores a 3 minutos 30 segundos por kilometro recorrido, poniendo de manifiesto el altísimo nivel de los sujetos analizados. Del mismo modo parece que las chicos consiguen una mayor velocidad gracias a una mayor longitud de ciclo en relación a las chicas, ya que estas muestran valores mayores en cuanto a frecuencia de zancada. La frecuencia de zancada presento los valores más altos en la primera vuelta en todos los deportistas analizados. Asimismo, los triatletas de nivel internacional y las chicas fueron los que mostraron los mayores valores. La longitud de zancada presento distintas tendencias en función del nivel y el género del deportista. Así pues, en los deportistas internacionales y en los chicos los mayores valores se encontraron en la primera vuelta mientras que la tendencia fue al descenso, siendo probablemente la fatiga acumulada la causante de dicha tendencia. En cambio, aquellos deportistas de nivel nacional y las chicas mostraron valores mayores en la segunda vuelta que en la primera, evidenciando que además de la fatiga, el ciclismo previo tiene una incidencia directa sobre su rendimiento. Los tiempos de vuelo permanecieron constantes durante toda la carrera, encontrando cierta evolución en los tiempos de apoyo, la cual provoca una modificación en los porcentajes relativos en los tiempos de vuelo. Los tiempos de apoyo más bajos se encontraron en la primera vuelta. Del mismo modo, los deportistas de nivel internacional y los chicos mostraron valores inferiores. También, estos grupos fueron más constantes en sus valores a lo largo de las vueltas. Por el contrario, se encontraron tendencias al aumento en los triatletas de nivel nacional y en las chicas, los cuales no fueron capaces de mantener el mismo rendimiento debido seguramente a su menor nivel deportivo. La oscilación vertical de la cadera se mostro constante en los triatletas de mayor nivel, encontrándose tendencias al aumento en los de menor nivel. Del mismo modo, los valores más altos correspondieron a las chicas y a los deportistas de nivel nacional. La distancia de la cadera al apoyo permaneció constante a lo largo de las vueltas en todos los grupos, obteniéndose valores mayores en los triatletas de nivel internacional y en los chicos. El ángulo de la rodilla apoyada en el momento del despegue no mostro una tendencia clara. Los deportistas de nivel internacional y los chicos presentaron los valores más bajos. El ángulo de la rodilla libre en el momento del despegue mostro una correlación muy alta con la velocidad de carrera. Del mismo modo, los ángulos más pequeños se encontraron en los triatletas internacionales y en los chicos, debido seguramente a los mayores valores de velocidad registrados por ambos grupos. Los ángulos de los tobillos no mostraron ninguna tendencia clara durante la competición analizada. Los cuatro grupos de población presentaron valores similares, por lo que parece que no representan una variable que pueda incidir sobre el rendimiento biomecánica del triatleta. Los resultados obtenidos en el presente estudio de investigación avalan la utilización de la fotogrametría-video en 2d para el análisis de la técnica de carrera durante la competición en triatlón. Su aplicación en una competición de máximo nivel internacional ha posibilitado conocer el perfil técnico que presentan los triatletas a lo largo del segmento de carrera a pie. Del mismo modo, se ha podido demostrar como los estudios realizados en laboratorio no reflejan la realidad competitiva de un triatlón de máximo nivel. The aim of this research was to determine the running technique profile during a triathlon competition from a biomechanical perspective. Also, to analyze the triathlete gender’s and level of performance’s influence on this profile in competition. An accurate (internal validity) and reliable methodology with a high external validity (ecological) had to be developed to get those aims in competition. Sixty-four triathletes were analyzed. 32 (16 males, 16 females) took part in the Madrid 2008 Triathlon World Cup and 32 (16 males and 16 females) took part in the Spanish Triathlon National Championships. The biomechanical analyses were carried out by a photogrammetric system that allow to calculate the landmarks coordinates (x,y) with a 1.66% error in x axis, and a 2.10% error in y axis. The frames were obtained with a camera situated perpendicular to the triathletes’ trajectory, filming the saggittal plane. DLT based algorithms (Abdel-Aziz & Karara, 1971) were used to calculate the real coordinates from the digitalized ones and the final variables afterwards. The biomechanical analisys itself was performed in four different moments during the competition, according to each 2.5 km lap the triathletes had to do. Running speed was highly related to performance level. Also, 3 of the 4 analyzed groups showed speed values under the 3 minutes and 30 seconds per kilometer. It demonstrated the very high performance level of the analized triathletes. Furthermore, it seems that men get higher speeds because their longer stride length, while women shows higher stride frequency values. The highest stride frequency values were found in the first lap. Women and the international level triathletes showed the highest values. Stride length showed different tendencies according to the gender and level of performance. Men and international level triathletes showed the highest level in the first lap and a decreasing tendency after that. The accumulated fatigue was probably the reason of this tendency. On the other hand, higher values than in first lap were found in the second one in women and national level triathletes. It demonstrated the previous cycling can affect to those groups in terms of biomechanics. Flight times remained constant during the running part, while the contact times showed an increasing tendency that caused a variation in flight times percents. The lowest contact times were found in the first lap and in men and international triathletes’ values. Also, these two groups were more consistent during the whole running. On the other hand, increasing tendencies were found in women and national level triathletes, who were not able to maintain the same values probably due to their lower level of performance. Higher level triathletes showed more consistent hip vertical oscillation values than lower level triathletes, who presented increasing tendencies. The highest values were found in women and national level triathletes. The horizontal distance hip-toe cap remained constant among the laps in all the groups. Men and international level triathletes showed the highest values. The support knee angle at toe-off did not show a clear tendency. The lowest values were found in men and international level triathletes. A high correlation was found between the non-support knee angle and the running speed. Furthermore, men and international level triathletes showed the smallest values, due to the higher velocities reached by these two groups. Ankles angles did not show any tendency during the running part. Similar values were found in the four analyzed groups, so this variable does not seem to represent an important one within the triathlete’s performance. The results obtained in the present research support the use of the bidimensional photogrammetric video-system to analyze the running technique during a triathlon competition. Its application in international triathlon meetings has allowed determining the triathletes’ technique profile during the running part. Also, it has been demonstrated the laboratory-based studies does not reproduce a top-level competition.