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.

Piel artificial : metamorfosis arquitectónica del cuerpo a través de la superficie

El cuerpo, como conjunto organizado de partes que configuran el organismo, es una entidad metamórfica. El ser humano procura dar continuidad a esta condición mutante que le caracteriza, mediante diversas acciones de carácter arquitectónico. A partir de la observación de los procesos naturales, el individuo se autodefine artificialmente, transformando su realidad innata en una versión distorsionada de sí misma. Por adición, sustracción o modificación, la piel como última capa natural, se convierte en lienzo de manipulación plástica primordial para asegurar la existencia y controlar la identidad, individual y colectiva. La evolución experimental de estas intervenciones primarias, permite suplantar la piel natural por una reinterpretación construida; una piel exenta y desmontable con la que proyectar un yo diferente provisionalmente. El uso constante de esta prótesis removible e intercambiable, provoca que el cuerpo desnudo se transforme en un cuerpo vestido, en un entorno social en el que la desnudez deja de ser el estado natural del ser humano. La piel artificial se construye mediante una gran diversidad de procesos proyectuales, siendo la transformación de la superficie bidimensional en envolvente tridimensional el más utilizado a lo largo de la existencia de la vestimenta. El plano, concebido como principal formato de revestimiento humano, se adapta a su irregularidad topográfica por modelado, perforación, fragmentación, trazado, parametrización e interacción, transformándose en una envolvente cada vez más compleja y perfecta. Su diseño implica la consideración de variables como la dimensión y la escala, la función y la forma, la estructura, el material y la construcción, la técnica y los instrumentos. La vestimenta es una arquitectura habitacional individual, un límite corporal que relaciona el espacio entre el exterior e el interior, lo ajeno y lo propio, el tú y el yo; un filtro concreto y abstracto simultáneamente; una interfaz en donde el vestido es el continente y el cuerpo su contenido. ABSTRACT The body as a whole, organized of parts that make up the organism, is a metamorphic entity. The human being seeks to give continuity to this mutant condition which characterizes him through various actions of architectural character. From the observation of the natural processes, the individual defines itself artificially, transforming its innate reality into a distorted version of itself. By addition, subtraction or modification, the skin, as the last natural layer, becomes canvas of primary plastic handling in order to ensure the existence and to control the identity, both individual and collective. The experimental evolution of these primary interventions allows to impersonate the natural skin by a constructed reinterpretation; a free and detachable skin together with which to be able to project, temporarily, a different “I”. The constant use of this removable and interchangeable prosthesis causes the naked body to be transformed into a dressed body, in a social setting in which the nudity is no longer the natural state of the human being. The artificial skin is constructed by a variety of projectual processes; the most used throughout the existence of the outfit is transforming the two-dimensional surface into a three-dimensional covering. The plan, conceived as the main human lining format, adapts to its topographic irregularity by modeling, drilling, fragmentation, outline, parameters and interaction, thus becoming a type of increasingly more complex and perfect covering. Its design implies the consideration of different variables such as the dimension and the scale, the function and the shape, the structure, the material and the construction, the technique and the instruments. The clothing is an individual residential architecture, a body boundary which relates the space between outside and inside, between the external and the self, between “you” and “I”; at the same time a specific and abstract filter; an interface where the dress is the container and the body its content.

El vidrio y sus máscaras : el sueño de la arquitectura de cristal

Según Heidegger, la esencia de la arquitectura, de la construcción, descansa en un no espacio: en la materia con que se construyen las fronteras que otorgan espacios, irradiando sobre ellos aquello que los caracteriza. Si hay alguna materia, de las utilizadas por la arquitectura a lo largo de su historia para construir fronteras, que haya mantenido una especial relación con la luz y la visión, dando un carácter inconfundible a los espacios aviados por ellas, esta es el vidrio; algunas de las etimologías de su nombre: zakû (ser claro), hyalos (diáfano) o vitrum (ver), así lo evidencian. Posiblemente, sea la pregnancia de este modo fascinante de relacionarse con la luz, la que ha hecho del vidrio, a lo largo del tiempo que lleva siendo usado en arquitectura, y aún antes, el material que ha provocado en el imaginario humano la ilusión de ser aquel en que, en último término, podrían llegar a sublimarse todos los demás, dando lugar con ello a lo que en la tesis hemos denominado el sueño de la arquitectura de cristal. Siendo la luz, siempre, energía, consideraremos en la tesis luz-energía, a aquella que ilumina y calienta; es una luz científica y mesurable. Cuando la luz se “hace visible”, desvelando un mensaje “contenido” en el vidrio, hablaremos de luz-información. Esta luz, no puede medirse científicamente. La luz-energía y la luz-información, se manifiestan al conjuro de la arquitectura de vidrio. Es la segunda la que ha conformado las fronteras de vidrio enmascarado, y la que se estudia con más detenimiento en la tesis. Los distintos modos de usar en arquitectura la infinita combinatoria de las propiedades de absortancia, reflectancia, transmitancia y translucencia del vidrio, ha condicionado al hombre en su manera de “ver” el mundo. Unas veces, “inmerso” en él, puesto que solo lo separa del mismo, una frontera transparente, y “deseadamente” invisible: ese modo de usar el vidrio, ha sido el sueño imposible de una parte importante de la arquitectura del siglo XX. Otras veces, para “aislarse” de él, el hombre ha manipulado la luz y el vidrio para construir mundos diferentes. Las fronteras de vidrio enmascarado de color, mosaicos, vidrieras, pantallas y lo que hemos llamado vidrios complejos (con un cometido similar al que Schiller atribuía al coro en la tragedia griega, aislar a esta del “mundo real”, para mantener su libertad poética), son las fronteras que han construido el sueño posible de la arquitectura de cristal. Ambas actitudes, en distintos momentos de la historia de la arquitectura, han sido dos formas de querer materializar un mismo sueño. La capacidad del vidrio para adaptarse a tantos modos de presentarse ante nosotros, y a poder ser interpretado de tantas formas diferentes, es la que ha servido para dar título a la tesis, pues hasta en su faceta más transparente, el vidrio, de una forma o de otra, se ha mostrado siempre como un material enmascarado en el más amplio sentido de la palabra: se enmascara, incluso cuando apela a la transparencia o se convierte en espejo, para hacernos caer en la ilusión de que no está presente. Cuando el hombre construyó fronteras de vidrio e incluso antes, cuando soñó que con él podría llegar a construirlas, condensó en ellas toda la mítica, la mística y la epistemología en torno a la luz y la visión, dando lugar a una serie de arquetipos arquitectónicos. En la iglesia bizantina, la luz sobre, o la luz desde, los mosaicos, construyó una frontera titilante; y en la catedral gótica, la luz a través de las vidrieras construyó una frontera radiante; en ambos casos con el fin de alcanzar anagógicamente lo Inteligible. En el siglo XIX, con el descubrimiento de la electricidad y su incorporación a la arquitectura, las fronteras se vuelven fulgurantes, aviando, en este caso, el espacio urbano. Poco antes, en este mismo siglo, el espíritu del gótico tiene un efímero resurgir del que se nutrirá, a comienzos del siglo XX, el expresionismo cristalino, en el que la luz anagógica se hace laica. El espacio urbano fulgurante prefigurado por este movimiento y presente en las ciudades desde principios del siglo XX, fue potenciado a mediados de ese siglo con la aparición de las pantallas, extendiéndose desde entonces, imparable, por todo el planeta. La reciente emergencia de los vidrios complejos, ha abierto la posibilidad de construir fronteras a la carta (de vidrios de propiedades múltiples, seleccionadas de forma voluntaria y variable en cada momento). En principio, se pensó que, el uso de estos vidrios como cerramiento, podría llegar a constituirse como la panacea de los problemas del material relacionados con la luz-energía, sin necesidad de recurrir a “prótesis”, y manteniendo por tanto la seductora tersura de la fachada; aunque parece que, por ahora, esa posibilidad es, cuando menos, lejana. Sin embargo, en el campo de las megapantallas urbanas (y ,en general, en el de las pantallas de información), ubicuas actualmente en nuestras vidas, los vidrios complejos ayudan a construir los espesos velos de ilusión, que según Lefebvre sirven para mantener el capitalismo, siendo el último estadio de un desarrollo tecnológico, impuesto por el principio de economía del hombre, que como un metrónomo inexorable, y a modo de contrapunto, ha acompañado siempre (de nuevo en palabras de Lefebvre), a la necesidad del gasto, del juego, de la lucha, del arte, de la fiesta. La tecnología y el arte forman parte de la cultura producida por la sociedad y como señala Lévi-Strauss, esa cultura imprime orden; por el contrario, la sociedad, entendida como el conjunto de relaciones que los hombres mantienen entre sí, produce desorden. Del equilibrio entre esos extremos, surge el progreso, incluido el de la arquitectura. Las fronteras de vidrio que analizamos en la tesis –que avían espacios para la espiritualidad, el fasto y el espectáculo o, desde otro punto de vista, para las distintas manifestaciones del poder: la iglesia, la monarquía, el estado o el mercado– también han surgido de esa concomitancia entre el desorden y el orden; y forma parte de ese desorden, la aventura que ha impulsado al genio individual de místicos, alquimistas, geómetras, abades, reyes, inventores, poetas y arquitectos, a explorar, como escribe Apollinaire, vastos y extraños territorios donde el misterio en flor, se ofrece a quien quiera cogerlo, hogueras nuevas de colores nunca vistos, mil fantasmas imponderables a los que dar cuerpo. ABSTRACT According to Heidegger, the essence of architecture, building, lies in a non-space: the material that creates the boundaries from which something begins its presencing, radiating onto them that which characterizes them. If there is any single material amongst all those used throughout the history of architecture to build boundaries which has maintained a special relationship with light and vision, which has bestowed a distinctive character on spaces avid for them, it is glass. This is evidenced in some of its etymologies: zakû (to be clear), hyalos (transparent), vitrum (see). The rich potential of this fascinating way of relating to light in the history of the architectural use of glass, and even before, is possibly what has triggered the illusion in human imagination of being something that can ultimately sublimate all others, giving rise to what in this thesis we call The Dream of Crystal Architecture. Given that light is always energy, in this thesis we consider energy-light to be that which illuminates and warms. This is scientific, measurable light. When light "becomes visible" and reveals a message “contained” in glass, we speak of information-light. This light cannot be measured scientifically. Energy-light and information-light are manifested under the spell of glass architecture. The latter is what has shaped the boundaries of coloured glass, which is studied in this thesis. Architecture's different ways of using the infinite combinations of the absorptance, reflectance, transmittance and translucency of glass has affected the way we humans "see" the world. Sometimes we are "immersed" in it, since only an invisible, transparent boundary separates us from it: this use of glass has characterized a considerable part of 20th century architecture. In other cases, in order to "isolate" us from it, we have manipulated light and glass to build different worlds: the boundaries of glass "masked" by colour, mosaics, stained glass, screens and what we have called complex glazing, which plays a similar role to what Schiller attributed to the chorus in Greek tragedy, isolating it from the "real world" in order to maintain its poetic license. These are the boundaries that have built the viable dream of crystal architecture. These two approaches have been different ways of making same dream come true at different times in the history of architecture. The ability of glass to adapt to so many forms of manifestation, and interpretation, is what has given rise to the title of the thesis. Even in its most transparent facet, glass has one way or another always been a masking material in the broadest sense of the word: it is masked even when it invites transparency or becomes a mirror, triggering the illusion that it is not present. When man began to build glass boundaries, and even before, when he dreamed that he could build them, he condensed in them all the mythology, mysticism and epistemology concerning light and vision, which gave rise to a series of architectural archetypes. In the Byzantine church, light on or from mosaics created tenuous boundaries. In Gothic cathedrals, the light through the stained glass windows constructed radiant boundaries. In both cases the aim was to achieve, in an anagogical way, the Intelligible. In the 19th, the discovery of electricity and its use in architecture led to the production of dazzling boundaries, in this case employed in urban spaces. Earlier in the same century, the Gothic spirit had a short-lived revival, which in the early 20th century drew from crystalline expressionism in which anagogic light became secular. The dazzling urban space prefigured by this movement, present in cities since the early 20th century, was intensified in the mid-century with the emergence of screens, and since then it has spread unstoppably across the world. The recent emergence of complex glasses has made it possible to build boundaries on demand in glass with multiple properties, chosen at will and at whim at any time. Initially it was thought that the use of this glass as a wall could eventually become the panacea for the material problems related to energy-light, without needing to resort to "prosthesis" and thereby maintain the seductive smoothness of the facade. For now, that possibility seems remote, to say the least. In the realm of urban megascreens and information screens in general, now ubiquitous in our lives, complex glasses help to build the thick veils of illusion which, according to Lefebvre, serve to maintain capitalism. Like an inexorable metronome, in counterpoint, this ultimate state of technological development imposed by man's principle of economy has in fact always accompanied (again in the words of Lefebvre), the need to spend, play, fight, art, and party. Technology and art are part of the culture produced by society. As Levi-Strauss says, this culture imposes order. On the contrary, society, understood as a set of relationships amongst people, produces disorder. Progress, including that of architecture, arises from the balance between these two extremes. The glass boundaries analyzed in this thesis, which propitiate spaces for spirituality, pomp and spectacle or, from a different perspective, for the various manifestations of power: the church, the monarchy, the state and the market, have also emerged from the concomitance of order and disorder. One aspect of this disorder is the adventure that has inspired the individual genius of mystics, alchemists, surveyors, abbots, kings, inventors, poets and architects to explore, as Apollinaire says, vast, strange domains where flowering mystery offers itself to whoever wishes to pluck it, new fires, colours you have never seen before, a thousand intangible phantasms still awaiting reality.