Aplicación de técnicas experimentales optomecánicas de campo continuo para el análisis de tensiones y deformaciones en la articulación del hombro humano

Laburpena

La Biomecánica ayuda a entender el funcionamiento habitual de los organismos, a caracterizar el comportamiento de tejidos y órganos vivos desde el punto de vista mecánico, a predecir los cambios que sufren debido a alteraciones y, a proponer métodos de intervención. La compleja anatomía del hombro lo convierte en una articulación que puede tener alteraciones biomecánicas, especialmente, cuando se realizan artroplastias o reparaciones protésicas. Por lo tanto, es importante realizar estudios mediante ensayos experimentales para identificar el funcionamiento óptimo de la prótesis y sus posibles complicaciones. La artroplastia invertida de hombro (RSA por sus siglas en ingles de Reverse Shoulder Arthroplasty) es un tratamiento quirúrgico para la patología del manguito rotador deficiente, la cual ha superado a modelos anteriores (hemiartroplastia, artroplastia anatómica) y, actualmente, se utiliza con otras patologías muy prevalentes (fracturas de húmero proximal, secuelas postraumaticas, etc). La RSA consiste en la sustitución de los componentes óseos anatómicos por dos implantes que suplen la función de los mismos. Este tipo de prótesis se caracteriza por tener la cavidad glenoidea convexa y la cabeza humeral cóncava, al revés de la disposición anatómica de la articulación. Los modelos fotoelásticos hueso-prótesis se construyen mediante técnicas de moldeo en bloque. Las características anatómicas, ópticas y mecánicas del modelo sintético prótesis-hueso de esta tesis son semejantes al hombro con RSA. Por encima de la temperatura de transición vítrea del material, para realizar los ensayos de congelación de tensiones, la relación de rigidez entre los módulos de los materiales reales y los del ensayo se encuentran en el orden de magnitud. Por lo tanto, se puede decir que los ensayos de los modelos fotoelásticos se aproximan a la realidad. El modelo físico del hombro es muy útil para visualizar y comprender los cambios físicos provocados por la artroplastia a 90 grados de abducción. El montaje del modelo con RSA medializa el centro de rotación de la articulación glenohumeral, alargando el brazo de palanca del músculo deltoides, para reforzar y estabilizar la articulación, compensando de esta manera la función del manguito de los rotadores. El estudio es un análisis cualitativo de tensiones y deformaciones de los modelos sintéticos de la articulación del hombro diseñados, aplicando fotoelasticidad, una técnica óptica de campo continuo que permite una visualización directa de la distribución de tensiones. La fotoelasticidad es un método de análisis en un material fotoelástico cargado estáticamente o dinámicamente, en el cual se puede visualizar mediante luz polarizada las líneas o franjas de tensiones dentro del objeto. El análisis de fotoelasticidad se realiza mediante la técnica de congelación de tensiones, que continúa siendo el principal método para evaluar las tensiones internas y externas con modelos biomecánicos. El método de congelación por tensiones permite bloquear las tensiones internas en un modelo fotoelástico tridimensional, mediante ensayos a temperaturas por encima de la de transición vítrea del material (60 ⁰C). A esta temperatura algunos materiales pierden rigidez manteniéndose en régimen elástico, lo que permite obtener mayores deformaciones y, con ellas, espectros fotoelásticos más densos, con la misma carga que a temperatura ambiente. Además, al bajar la temperatura manteniendo las cargas aplicadas, las deformaciones quedan permanentes, y el espectro fotoelástico correspondiente puede estudiarse en la pieza liberada de los elementos de montaje, o incluso puede cortarse en láminas delgadas permitiendo los estudios de casos tridimensionales. El objetivo de esta tesis es la evaluación experimental mediante fotoelasticidad de la articulación glenohumeral con RSA a 90 grados de abducción, tomando en cuenta dos modelos de prótesis: Delta XTEND (DePuy) y SMR (Lima). El modelo físico permite el estudio de muchos problemas asociados con RSA. Este trabajo se diseñó para estudiar las tensiones de tracción y compresión asociadas a las prótesis. Sin embargo, con el tiempo, el proyecto evolucionó para abordar los factores y complicaciones presentados en la literatura, como el brazo o la fuerza del momento del deltoides, la versión glenoidea, la altura de la cúpula humeral (h), la inestabilidad, etc. El modelo ha sido validado y es una metodología eficiente para analizar otras variables de los implantes para trabajos futuros.