Evaluación del desempeño de una nueva prótesis de disco intervertebral cervical mediante el método de los elementos finitos / Evaluation of a new cervical intervertebral disc prosthesis using the finite element method

Introducción: El tratamiento inicial de la cervicalgia por degeneración de los discos intervertebrales es conservador, pero en caso de fallo la discectomía es la opción quirúrgica habitual, sustituyendo el disco por un injerto óseo u otra estructura que cumpla total o parcialmente las funciones del primero. El Servicio de Neurocirugía del Hospital General Camilo Cienfuegos de Cuba ha diseñado un nuevo modelo de prótesis de disco intervertebral cervical para tratar esta enfermedad. Objetivo: Evaluar el desempeño mecánico de la prótesis diseñada a través del método de los elementos finitos bajo las cargas habituales de la columna cervical. Material y Métodos: Se realizó un estudio experimental mediante la simulación numérica, según el método de los elementos finitos, sometiendo la prótesis a las cargas axiales recomendadas por las normas ASTM F2423-11e ISO 18192-1.2011 mediante el software Free CAD 0.18. Resultados: Los mayores esfuerzos soportados por la prótesis en la posición neutral, flexión anterior y flexión lateral fueron de 28.79 MPa, 52.29 MPa y 55.59 MPa respectivamente. La prótesis no sufrió ninguna fractura al no sobrepasar los valores anteriores al límite elástico del material que la constituye. La mayor deformación descrita fue de 1 m. Conclusiones: La mayor concentración de esfuerzos en la prótesis se ubicó en el punto de contacto de la cavidad prismática de la pieza superior al hacer contacto con el prisma de la pieza inferior. El dispositivo diseñado no sufrió ninguna deformación significativa ni se fracturó ante las cargas aplicadas(AU)

Introduction: The initial treatment of cervicalgia due to degeneration of the intervertebral discs is conservative, but in case of failure, discectomy is the usual surgical option, replacing the disc with a bone graft or another structure that fully or partially fulfills the functions of the former. The Neurosurgery Service of the Camilo Cienfuegos General Hospital in Cuba has designed a new cervical intervertebral disc prosthesis model to treat this disease. Objective: To evaluate the mechanical performance of the prosthesis designed through the finite element method under the usual loads of the cervical spine. Material and Methods: An experimental study was carried out using numerical simulation according to the finite element method, subjecting the prosthesis to the axial loads recommended by ASTM F2423-11e ISO 18192-1.2011 standards using Free CAD 0.18 software. Results: The greatest efforts supported by the prosthesis in the neutral position, anterior flexion and lateral flexion were 28.79 MPa, 52.29 MPa and 55.59 MPa, respectively. The prosthesis did not suffer any fracture as it did not exceed the values ​prior to the elastic limit of the material that constitutes it. The greatest deformation described was 1 956;m. Conclusions: The highest concentration of efforts in the prosthesis was located at the point of contact of the prismatic cavity of the upper part when making contact with the prism of the lower part. The designed device did not undergo any significant deformation or fracture at the applied loads(AU)

Tomografía computarizada y sólidos virtuales para obtener modelos biomecánicos computacionales / Computed tomography and virtual solids to obtain computational biomechanical models

Uno de los padecimientos más comunes de los huesos es la fractura, definida como la pérdida de la continuidad del material óseo. Implantes y prótesis son utilizados para tratar algunas de ellas. Actualmente, antes de usar uno de estos dispositivos, se prueban modelos virtuales de los mismos utilizando un programa de diseño asistido por computadora. Para dichas pruebas, se requieren también modelos virtuales de los huesos. Los modelos óseos son obtenidos aplicando técnicas de segmentación de imágenes a las tomografías computarizadas (TC). Este trabajo presenta un procedimiento para la obtención de modelos biomecánicos hueso-implante a partir de las TCs y sólidos virtuales, teniendo en cuenta la estructura real de los huesos, compuesta de tejido cortical y trabecular. Para realizar los análisis de verificación del procedimiento se utilizó un modelo de un implante DHS y de una prótesis de cadera(AU)

One of the most common bone conditions is fracture, defined as the loss of the continuity of the bone material. Implants and prostheses are used to treat some of them. Currently, before using one of these devices, virtual models are tested using a computer-aided design program. For these tests, virtual models of the bones are also required. Bone models are obtained by applying image segmentation techniques to computed tomography (CT). This paper presents a procedure for obtaining biomechanical bone-implant models from the CTs and virtual solids, taking into account the real structure of the bones, composed of cortical and trabecular tissue. A DHS implant model and a hip prosthesis were used to perform the procedure verification tests(AU)

Algoritmo para predecir tensiones con técnicas de inteligencia artificial en una tibia humana / Algorithm for prediction of strains in human tibia by means of artificial intelligence techniques

INTRODUCCIÓN: el desarrollo de la informática y sus herramientas influyen de forma significativa en los avances científicos tecnológicos, en la esfera de la salud. La simulación de problemas reales mediante redes neuronales, relaciona intrínseco, la medicina y la informática, por utilizar estas redes modelos basados en el funcionamiento de neuronas humanas. Si a esta potente herramienta unimos un método numérico de cálculo, que permita servir de fuente de datos a la red neuronal, se podrán modelar tejidos y partes del cuerpo humano. Una de las ramas de mayor implementación, podría ser la ortopedia, debido en lo fundamental, a la similitud que tiene el cuerpo humano y su estructura ósea, con las propiedades de los materiales de ingeniería, la cual es un área clave en la aplicación del Método de los Elementos Finitos. OBJETIVO: crear un algoritmo que permita dar solución al problema de remodelación ósea de una tibia humana bajo diferentes valores de cargas mecánicas. MÉTODOS: se empleó el Método de los Elementos Finitos. Se usó el software profesional ABAQUS/CAE para el cálculo de tensiones y deformaciones y una red neuronal para el procesamiento de los valores obtenidos. La red neuronal fue establecida; se aplicó el software MATLAB R2013a. RESULTADOS: se logró un modelo de red neuronal que posibilita predecir las cargas que una determinada zona de la tibia puede soportar. CONCLUSIONES: mediante el uso de las técnicas de inteligencia artificial y con el empleo del método de los elementos finitos, fue posible obtener un modelo que pronosticò las magnitudes de tensiones, que una región de la tibia humana podría soportar, en dependencia de los valores de densidades óseas presente en dicha región.

INTRODUCTION: the development of information sciences and their influence in a significant way the scientific and technological advances in the field of health care. The simulation of real-life problems through neuronal networks intrinsically relates medicine and informatics since these networks use models based on human neuron functioning. If we add to this potent tool a numerical calculation method that allows the neuronal network to serve as a data source, then tissues and parts of the body could be modeled. One of the branches with more implementation in this regard could be orthopedics due to the similarities of the human body and its osseous structures with the properties of the engineering materials and this is a key area in the application of finite element method. OBJECTIVE: to create an algorithm that may solve the problems of osseous remodeling of a human tibia under different mechanical load values. METHODS: the Finite Element Method was used together with the professional software ABAQUS/CAE for estimation of strains and deformations and a neuronal network to process the obtained values. The neuronal network was set and then the software MATLAB R2013a was applied. RESULTS: a neuronal network model that makes it possible to predict the loads that certain area of the tibia may stand. CONCLUSIONS: through the artificial intelligence techniques and the use of the finite element the strain magnitude that may be supported by a human tibia area depending on the osseous density values present in this area.method, it was possible to obtain a model that predicts the strain magnitude that may be supported by a human tibia area depending on the osseous density values present in this area.

Modelo mecanobiológico de una tibia humana para determinar su respuesta ante estímulos mecánicos externos / Mechanobiological model of a human tibia to determine its response to external mechanical stimuli

INTRODUCCIÓN: las nuevas herramientas informáticas cada vez más influyen en los avances científicos tecnológicos en la esfera de la salud. Una de las áreas de mayor implementación de estas nuevas herramientas de cómputo es sin dudas, la ortopedia, debido en lo fundamental, a la similitud que tiene el cuerpo humano y su estructura ósea con las propiedades de los materiales de ingeniería que permite modelar tejidos y órganos en correspondencia con teorías remodeladoras que predicen su posible comportamiento mecanobiológico. OBJETIVO: describir el comportamiento de una tibia humana ante estímulos externos de torsión. MÉTODOS: se utilizó el Método de los Elementos Finitos implementado en el software profesional ABAQUS/CAE para el cálculo de tensiones y deformaciones presentes en la tibia humana. RESULTADOS: se obtuvo el modelo específico del paciente con síndrome de torsión tibial, a partir de las imágenes médicas de un tomógrafo; las cuales fueron procesadas por ordenador, se utiliza el software de tratamiento de imágenes médicas MIMICS 10.01 para establecer una relación entre la escala de grises (unidades Hounsfield), la densidad ósea y el módulo de Young. CONCLUSIONES: se determinó que el valor correcto de momento torsor estático que debe ser aplicado a este paciente para iniciar el proceso remodelador es de 30 Nm.

INTRODUCTION: new information tools have a growing influence on technological and scientific advances in health care. Orthopedics is one of the areas where new computational tools have been largely implemented, mainly owing to the similarity of the human body and its bone structure to the properties of engineering materials, enabling the modeling of tissues and organs in accordance with remodeling theories predicting their potential mechanobiological behavior. OBJECTIVE: describe the response of a human tibia to external torsion stimuli. METHODS: estimation of tensions and deformities in the human tibia was based on the Finite Element Method incorporated into the professional software Abaqus / CAE. RESULTS: starting from medical tomographic images, a specific model was obtained for a patient with tibial torsion syndrome. The images were computer processed with the medical imaging treatment software MIMICS 10.01 to establish a relationship between the grayscale (Hounsfield units), bone density and Young's modulus. CONCLUSIONS: it was determined that 30 Nm is the correct static torsion moment value to be applied to this patient to start the remodeling process.

Generación de imágenes tridimensionales: integración de tomografía computarizada y método de los elementos finitos / 3D imaging: integration of computerized tomography and the finite element method

Se trata la posibilidad de utilización de las nuevas tecnologías y en especial la Tomografía Axial Computarizada (CT) utilizando como herramienta modeladora el Método de los Elementos Finitos (MEF) para la generación de volúmenes 3D que puedan ser empleados en la obtención de modelos mecano-biológicos aplicables a afecciones ortopédicas.

This work deals about the possibility of using new technologies and especially the Computed Tomography (CT) using shaper tool as the Finite Element Method (FEM) to generate 3D volumes that can be employed in obtaining it mechanical-biological models applicable to orthopedic conditions.

Diseño y análisis de placas cervicales anteriores mediante el método de los elementos finitos / Analysis and design of anterior cervical plates using the finite element method

En este trabajo se presenta el diseño y análisis de placas de fijación vertebral, utilizando el método de los elementos finitos. El objetivo de estas placas es devolver estabilidad a la columna vertebral y mejorar la fusión ósea, ofreciendo libertad en el posicionamiento de los tornillos para fijarlas al cuerpo vertebral. Para el diseño geométrico y el análisis fueron utilizados software ProEngineer© y Nastran©. Los esfuerzos que fueron obtenidos del análisis se mantuvieron dentro del rango elástico del material con el cual fueron simulados cada uno de los dos modelos de placas propuestas.

The analysis and design of cervical fixation plates using the finite element method is presented in this paper. Thepurpouse of these plates is to restore stability in the cervical spine and to improve the interbody fusion, allowing different screw positions to attach them to the vertebral body. The geometrical design and discretization were carried out by using ProEngineer© and Nastran© commercial software. The models of the mechanical devices are presented as well as the stress levels produced by the physiological loading. The results obtained from the analysis, showed stresses inside the elastic range in all the studied load cases.