Análisis del comportamiento mecánico del tejido subyacente a las tuberosidades isquiáticas por medio del método del elemento finito / Analysis of mechanical behavior of the underlying tissue to the ischial tuberosities using finite element method

Las úlceras por presión son las complicaciones secundarias más comunes a una lesión medular, las cuales ponen en riesgo tanto la salud como la vida de quienes las padecen. Las úlceras por presión más comunes en lesionados medulares aparecen en la región pélvica, principalmente en las tuberosidades isquiáticas (TI's). Una estrategia usada en la clínica es medir la presión generada entre el paciente y la superficie donde se encuentra para evaluar el riesgo que representa dicha superficie para el desarrollo de úlceras por presión sin embargo, este tipo de mediciones superficiales no garantizan que la presión en los tejidos internos subyacentes a prominencias óseas sea inocua. Con el fin de estudiar los mecanismos de formación de úlceras por presión, se realizó el análisis de un modelo de pelvis y tejido subyacente por medio del Método de los Elementos Finitos (MEF). De esta manera se puede estudiar el comportamiento de las TI's sobre su tejido circundante, así como analizar los efectos biomecánicos que provocan las úlceras. Se construyó el modelo computacional por medio de un software de CAD (Computing Aided Design) de la pelvis a partir de cortes tomográficos. El modelo fue exportado al software COMSOL y se analizaron seis casos de estudio: un análisis de la pelvis sobre bloques de tejido sano y cinco casos más, los cuales simulan lesiones en el tejido con distintas profundidades, representando úlceras superficiales e internas. Los resultados mostraron que los puntos de máximo esfuerzo, en todas las pruebas, se localizan justo debajo de la TIs además se encontró que las lesiones internas presentan mayores esfuerzos y deformaciones, los cuales pueden ser precursores de daño en el tejido.

Pressure ulcers are the most common secondary complication to a spinal cord injury, which endanger both health and life of the patients who suffer them. The most common pressure ulcers in spinal cord injuries occur in the pelvic region, mainly in the ischial tuberosities (ITs). A strategy used in clinic is to quantify the pressure generated between the patient and the surface, in order to assess the risk posed by that surface for developing pressure ulcers. Despite this, this type of surface measurements does not guarantee that pressure in the internal tissues underlying to bony prominences, to be safe. In order to study the mechanisms of formation of pressure ulcers, an analysis of a model of the pelvis and its underlying tissue was performed using the Finite Element Method (FEM). By this means we can study the behavior of ITs on its surrounding tissue, and at the same time, we analyze the biomechanical effects those cause ulcers. The computational model of the pelvis was built from tomographic slices using CAD software (Computing Aided Design). The model was exported to the finite element software COMSOL and six study cases were analyzed: an analysis of the pelvis on healthy tissue blocks and five more cases, which simulate tissue injury with different depths, representing surface and internal ulcers. The results showed that the maximum stress points in all tests are located just below the ITs it was also found that internal injuries present higher stresses and strains, which can be precursors of tissue damage.

Total deformation of multiple implant-supported prostheses through three-dimensional finite element analysis / Deformación total de prótesis múltiple implanto-soportadas a través de un análisis tridimensional por elementos finitos

The purpose of this study was to evaluate through finite element analysis (FEA) the total deformation or displacement as a whole system of multiple implant-supported prostheses in the maxillary anterior region with different implant's length, connection, location and restoration material. An edentulous anterior region of a hemi-maxilla model was used in finite element analysis. The simulations were divided in two groups according to treatment plan: 1) two implants were placed in the upper central incisors, simulating an implant-supported fixed prosthesis (acrylic resin and metal-ceramic) of four elements with cantilever of both upper lateral incisors; 2) two implants placed in the upper lateral incisors, simulating a conventional fixed prosthesis of four elements with both upper central incisors as pontic. Models with cantilever prosthesis in acrylic resin showed the highest values of total deformation, which were 17 times higher than those of metal-ceramic in the distal face of the lateral incisors, regardless of the type of implant connection. In conventional prostheses in acrylic resin, external hexagon connections had lower total deformation values compared with morse taper connection. Also, the implant length was found to have no effect on the values of total deformation. In conclusion, total deformation was substantially greater in all models with acrylic resin restorations.

El propósito de este estudio fue evaluar mediante análisis de elementos finitos (FEA) la deformación total o desplazamiento como un sistema completo de prótesis múltiples implanto-soportadas en la región anterior de la maxila con diferentes longitudes, conexiones y posiciones del implantes y variando el material de restauración. Se utlizó un modelo hemi-maxilar de una región anterior desdentada de un modelo para ser analizado por medio de elementos finitos. Las simulaciones fueron divididas en dos grupos de acuerdo con el plan de tratamiento: 1) dos implantes se colocaron en los incisivos centrales superiores, simulando una prótesis fija implanto-soportada (resina acrílica y metal-cerámica) de cuatro elementos con cantilever de ambos incisivos laterales superiores; 2) dos implantes colocados en los incisivos laterales superiores, simulando una prótesis fija convencional de cuatro elementos con los dos incisivos centrales superiores como póntico. Los modelos con prótesis en cantilever en resina acrílica mostraron los mayores valores de deformación total, siendo 17 veces mayor a los de metal-cerámica en la cara distal de los incisivos laterales, independientemente del tipo de conexión del implante. En las prótesis convencionales en resina acrílica, las conexiones hexagonales externas tenían valores deformación total más bajos en comparación con la conexión cono morse. También, se encontró que la longitud del implante no mostró ninguna influencia en los valores de la deformación total. En conclusión, la deformación total fue sustancialmente mayor en todos los modelos con restauraciones de resina acrílica.

Insertion Area in the Mandible Masticatory Muscles for use in Finite Element Analyses / Área de Inserción en la Mandíbula de los Músculos de Masticación para ser Utilizados en Análisis por Elementos Finitos

To validate the virtual finite element analysis (FEA) results, it is needed that the mathematical models take into account the insertion area. Thus, the aim of this study was to measure the insertion area of masticatory muscles in the mandible in human cadavers to be used in FEA. The insertion area of the masticatory mandible's muscles was measured on both sides of fifty human cadavers throughout digital photos and software. The insertion area of the masseter was 7.47(±0.41) cm2, the temporal (inner portion) was 3.05(±0.13) cm2, the temporal (outer portion) was 2.25(±0.28) cm2, the medial pterygoid was 2.2(±0.23) cm2, and the lateral pterygoid was 0.8(±0.05) cm2. In conclusion, there is enough data to be used for the finite element analysis.

Para validar los resultados virtuales de análisis por elementos finitos (FEA) es necesario que los modelos matemáticos consideren el área de inserción muscular. Así, el objetivo de este estudio fue medir el área de inserción en la mandíbula de los músculos de masticación en cadáveres humanos para ser utilizado en FEA. El área de inserción en la mandíbula de los músculos de masticación fue medida en ambos lados de cincuenta cadáveres humanos por medio de fotografías digitales y software. El área de inserción del músculo masetero fue 7,47(±0,41) cm2, la porción interna del músculo temporal fue de 3,05(±0,13) cm2 y su porción externa de 2,25(±0,28) cm2, para los músculos pterigoideo medial fue de 2,2(±0,23) cm2 y pterigoideo lateral 0,8(±0,05) cm2. En conclusión, los datos son suficientes para ser utilizados para análisis de elementos finitos.

Comparación de esfuerzos pre y post quirúrgicos sobre articulación de cadera con secuelas de displasia / Comparison of pre- and postsurgical stress over a hip joint with dysplastic sequels

Introducción: la displasia residual de cadera en jóvenes y adultos requiere un procedimiento quirúrgico para su tratamiento; tener en cuenta el comportamiento biomecánico futuro de la articulación podría ser una útil herramienta en la planeación y evaluacióndel procedimiento quirúrgico más adecuado para el paciente. Objetivo: realizar una comparación entre la distribución de esfuerzos pre y post quirúrgicos sobre una articulación de cadera con secuelas de displasia utilizando el método de elementos finitos para su resolución. Métodos: se usó un modelo de elementos finitos de la articulación de un paciente con secuelas de displasia, reconstruido a partir de imágenes obtenidas por TAC, y un modelo de la reubicación articular simulando elprocedimiento quirúrgico realizado. El máximo esfuerzo generado y el área de soporte de peso fueron calculados durante la etapa de apoyo de un ciclo de marcha. Resultados: hay una excesiva carga sobre la articulación patológica debido a la reducida cobertura articular. Las simulaciones sobre el modelo post-quirúrgico revelaron una reducción del 20,20 % en elesfuerzo máximo generado sobre la cabeza femoral en el punto de mayor carga en la marcha (20 % de la fase de apoyo), además de una reducción del 49 % en la presión de contacto sobre el cartílago articular y un incremento del 64 % en el área de soporte de peso en el mismo punto. Conclusiones: este estudio revela una mejora biomecánica post-quirúrgica muy considerableen el nivel de la carga que soporta la articulación; por otra parte, permite tener un mayor acercamiento a la realidad del paciente y contribuye a la toma de una óptima decisión para el tratamiento de la patología.

Introduction: The treatment of residual hip dysplasia in young persons and adults requires surgery. Bearing in mind the future biomechanical behavior of the joint could be a useful tool in the planning and evaluation of the most appropriate surgical procedure. Objective: Compare the distribution of pre- and postsurgical stress over a hip joint with dysplastic sequels using the finite element method for its resolution. Methods: Use was made of a finite element model of a patient's hip joint with dysplastic sequels reconstructed from CT scan images, and a model of the joint relocation that simulated the surgical procedure performed. The maximum stress generated and the weight bearing area were estimated during the stance phase of the gait cycle. Results: The load on the treated joint is excessive due to the reduced joint coverage. Simulations on the postsurgical model showed a 20.20% reduction in the maximum stress exerted on the femoral head at the point of greatest load during the gait (20% of the stance phase), a 49% reduction in the contact pressure over the joint cartilage, and a 64% increase in the weight bearing area at the same point. Conclusions: The study revealed very considerable postsurgical biomechanical improvement in the amount of load borne by the joint. On the other hand, it allows a better view of the patient's reality and contributes to taking the best treatment decision.

ANÁLISIS BIOMECÁNICO DE LA EPIFISIOLISIS DE LA CABEZA FEMORAL: COMPARACIÓN ENTRE FÉMURES SANOS Y ENFERMOS

En este trabajo se desarrolla un análisis por elementos finitos cuyo objetivo principal es determinar las diferencias de tensiones en la placa de crecimiento que se producen entre fémures sanos, con epifisiolisis unilateral y con epifisiolisis bilateral, para evaluar sus posibles causas. Se elaboraron los modelos de elementos finitos correspondientes a 45 pacientes. Los resultados mostraron un patrón de esfuerzos similar en todos los grupos de fémures y, además, la aparición de tensiones mayores en el grupo con epifisiolisis con respecto al grupo control. Se observó también que el valor del ángulo axial-fisis dependía significativamente del tipo de fémur analizado, y, además, una mayor influencia de los factores geométricos en la incidencia de la enfermedad, en comparación con la del índice de masa corporal.

In this work, a finite element analysis (FEA) is accomplished to study the differences of stresses in the growth plate, that are produced in healthy and unhealthy femurs, and to evaluate the possible causes of this illness. Finite element models of 45 patients were developed. The results demonstrated a similar pattern of stresses in all the groups of femurs and also the appearance of greater stresses in the group with slipped capital femoral epiphysis than in the control group. It was also observed a strong dependency on the value of the axial-fisis angle from the group of femur analyzed and a bigger influence of the geometric factors than of the body mass index, in the incidence of the illness.