anÁlisis y simulaciÓn del comportamiento … · de biomecanica [email protected] ciatec, león...
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José Eduardo Frias ChimalEstudiante de MaestríaDepto. Ing. Mecánica – Biomecá[email protected]
Raúl Lesso ArroyoProfesor InvestigadorDepto. de Ing. Mecá[email protected] Tecnológico de Celaya
Alma Adriana Camacho P.Profesor Investigador
Depto. De Biomecanica
CIATEC, León Gto.
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN
DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL
PIE POR EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
ASESORES:
PRESENTA:
� Definición del problema � Justificación� Objetivo �Proceso de diseño� Desarrollo del proyecto
�Pruebas de Baropodometría� Análisis Dinámico� Análisis Estático� Huella Plantar
� Modelo CAD� Digitalizaciones de los huesos � Propiedades de los materiales� Simulación por elemento finito� Resultados
� Conclusiones� Referencias
Contenido
• En México el 70% de las amputaciones de pie ocurren por una atención médica tardía señala el IMSS.• La Diabetes Mellitus es la primera causa de amputaciones según señala el IMSS.• La segunda causa de amputación la tiene la Aterosclerosis.• La última causa de amputaciones son los accidentes
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Se registran 80 mil amputaciones de pie
al año en México
Se registran 80 mil amputaciones de pie
al año en México
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TransfemoralTranstibial
SOLU
CIÓ
N
SOCKET
Definición del problema
Analizar y simular el comportamiento estructural del pie
1PROBLEMA
SOLU
CIÓ
N
Definición del problema
Costos de prótesis de pieCosto de prótesis transtibial (mecanismos mecánicos) $10,000 - $33,000 mil
Costo de prótesis transfemoral (mecanismos mecánicos) $35,000 mil
Desarticulado de cadera $52,000 mil
Costo de prótesis trasntibial (mecanismo hidráulico) $70,000 -160,000 mil
Costo de prótesis trasnfemoral (mecanismo hidráulico) $80,000 - 220,000 mil
Costo de rehabilitación $100.00 - $400.00 hora
MaterialesMovimientosAdaptacionesPrecioMantenimiento
Justificación
Objetivo
Analizar y simular el comportamiento estructural del pie con el fin de obtener datos numéricos que ayuden a:
• Seleccionar nuevos materiales• Mejorar los prototipos para prótesis teniendo la capacidad de
adaptarse a su ambiente laboral• Estar al alcance de las personas de bajos recursos.
Documentación del proyectoLibros, Tesis
Clínicas, Fundaciones, etc.
Búsqueda del estado del arte
Digitalización de huesos
Generación de modelos CAD
Análisis y Simulación del comp.
Estructural del pie
Artículos, Tesis, Revistas científicas
Memorias de congresos
PRO-E IRONCAD UNIGRAPHICSSOLIDWORKSCATIARHINOCEROS
ANSYS
Estudio del comportamiento
de prótesis comercial
Proceso de diseño
Análisis y Simulación del comp.
Estructural de los dedos
ANSYS WORKBENCH
Pruebas de Baropodometría Nombre: José LuisPeso: 108 KgAltura: 180 cmEdad: 37 AñosAmputación: TranstibialSexo: Hombre
Baropodometría Media Análisis Dinámico Baropodometría Análisis Dinámico
Análisis dinámico
Pruebas de Baropodometría
Análisis Estático
Baropodometría Análisis Estático
Huella Plantar
Modelo CAD
Del modelo óseo se generaron las digitalizaciones de los 26 huesos que conforman el pie, todos ellos fueron generados como modelos sólidos, para mostrar el prototipo virtual y modelo CAD.
Digitalizaciones de los huesos
El arreglo de los huesos del pie se realizó de acuerdo al ángulo, posición, rotación e inclinaciones correspondientes a cada hueso.
Arreglo de la estructura del pie
Material No.
Componente Ex (GPa)
Ey(GPa)
Ez(GPa)
Gxy(GPa)
Gxz(GPa)
Gyz(GPa)
vxy vxz vyz
2 Fémur 12.0 13.4 20.0 4.53 5.61 6.23 0.38 0.22 0.24 3 Tibia 6.9 8.5 18.4 2.4 3.6 4.9 0.49 0.12 0.14
Propiedades mecánicas ortotrópicas para el hueso cortical del fémur y tibia.
Propiedades mecánicas del hueso cortical humano.
Propiedades mecánicas del hueso cortical humano.
Autor(es) HuesoModo de
carga
Dirección de la
carga
Resistencia
(MPa)
Reilly y Burstein(1974)
Fémur
TracciónLongitudinal 133.0Transversal 51.0
CompresiónLongitudinal 193.0Transversal 133.0
Cortante - 68.0Cezayirliogluet al. (1985) *
Fémur Tracción Longitudinal 134.5
Tibia 156.0Fémur Compresión Longitudinal 206.0Tibia 201.0
Fémur Cortante - 70.0Tibia 68.0
Propiedades de los materiales
Simulación y análisis de los dedos
Malla
Número de nodos
134423
Número de elementos
94077
Tipo de elemento
Solid 92
Simulación y análisis de los dedos
Contactos
Couple DOFs
Simulación horizontal
Simulación con ángulo
Simulación y análisis de los dedos
Esfuerzos Normales
Esfuerzos Normales
Simulación y análisis del pie
Número de nodos
605020
Número de elementos
193759
Tamaño de elemento
Varía de acuerdo a cada hueso
Tipo de malla
Hexaedros y Tetraedros
Malla Tipo de elemento
Solid 187
Solid 186
Contactos
Simulación y análisis del pie
Conta 174
Targe 170
Esfuerzos Isotrópico
Esfuerzos OrtotrópicoDesplazamientos
Simulación y análisis del pie
Material Esf. Normal Y (MPa)
Desp. eqv
Dedo Pulgar Isotrópico 10.151 0.01847
Ortotrópico 10.201 0.01216
Dedo Índice Isotrópico 15.839 0.034748
Ortotrópico 16.467 0.024628
Dedo Medio Isotrópico 15.678 0.007107
Ortotrópico 16.562 0.004405
Dedo Anular Isotrópico 17.288 0.296978
Ortotrópico 18.45 0.207623
Dedo Menique
Isotrópico 33.372 0.691476
Ortotrópico 32.355 0.52493
Esfuerzos y desplazamientos
considerando ángulos en los dedos
Dedo Esf. Normal Y
(MPa)
Desp. eqv
(mm)
Pulgar 14.492 0.00414
Índice 10.817 0.00699
Medio 11.247 0.001601
Anular 14.9 0.004822
Menique 16.14 0.0047
Esfuerzos y desplazamientos
sin considerando ángulos en los dedos
Resultados de los dedos
Carga
(Kg)
Esf. Normal X
(MPa)
Esf. Normal Y
(MPa)
Esf. Normal Z
(Mpa)
Desp. eqv
(mm)
80 (Isotrópico) 0.6182
-2.3719
1.1085
-5.8164
0.89382
-3.5523
0.010449
80 (Ortotrópico) 0.60453
-1.9515
1.1052
-5.718
0.98311
-3.9453
0.0087978
110 (Ortotrópico) 0.83123
-2.6833
1.5171
-7.8524
1.3508
-5.4244
0.0012097
270 (Ortotrópico) 2.1427
-5.866
2.284
-16.829
2.0089
-9.7443
0.0029485
Esfuerzos y desplazamientos del pie a diversas cargas
Resultados del pie
• El comportamiento biomecánico del pie, es de gran importancia para el entendimiento de la distribución del peso debido a la acción mecánica.
• Los valores de esfuerzos y desplazamientos obtenidos se utilizarán para la selección de nuevos materiales en la generación de nuevos prototipos de prótesis de pie.
• Con este tipo de herramientas especializadas se pueden estudiar nuevos modelos de plantillas y disminuir los casos de callosidades y ulceras presentadas en la planta del pie.
• También servirá para estudiar los diferentes factores, como sobrepeso, flexión, enfermedades del pie, etc., que pueden incrementar la magnitud del daño en las articulaciones de los huesos del pie, y con ello tratar de predecir el comportamiento biomecánico.
Conclusiones
[1] R. Viladot, O. Cohi, S. Clavell, Ortesis y protesis del aparato locomotor 2.1 Extremidad inferios, Ed. Masson, 2005.
[2] Rodrigo C Miralles Marrero, IrisMiralles Rull, Biomecánica clínica de los tejido y las articulaciones del aparato locomotor, Ed. Masson, 2ª ed., 2005.
[3] Paul Torneto III, Thomas A. Einhorn, Foot and ankle, Ed Lippincott William and Wilkins, 2004.
[4] Kapandji A. I., Fisiología Articular, Tomo II, 5ta edición, México 1997, Pág. 158-251.
[5] Haut Donahue T. L., Hull M. L., Rashid M.M., Jacobs C.R. “A Finite Element Model of the Human Knee Joint for the Study of Tibio-Femoral Contact”. Journal of Biomechanical Engineering, ASME. Vol. 124. pp. 273-280. June 2002.
[6] TESIS DE MAESTRÍA: “ANÁLISIS, SIMULACIÓN Y PREDICCIÓN DE DESGASTE DE CARTÍLAGO ARTICULAR DE RODILLA” Nov. 2007, Agustín Vidal, Lesso, M.I. Raúl Lesso Arroyo.
Referencias
Por su atención
¡GRACIAS!