Estres Del Femur En Un Estado De Flexion Y Compresion

El estrés y la distribución de la tensión en el fémur intacto: compresión o flexión?

ME Taylor *, * KE Tanner, MAR Freemanf y AL Yettramj;

* IRC Biomedical Materials, Queen Mary and Westfield College de Londres; fThe Royal London Hospital del Colegio Médico de Londres;JDept. de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Brunei, Uxbridge, Reino Unido

Recibido el 19 de agosto de 1994, aceptado 03 de marzo 1995 RESUMEN

El objetivo de esta investigación fue probar la hipótesis de que el fémur intacto se carga predominantemente a compresión. El estudio se compone de dos partes: un análisis de elementos finitos del fémur intacto para evaluar si una distribución de esfuerzo de compresión se podría lograr en la región diafisaria del fémur usando muscular fisiológico y fuerzas de contacto conjuntos; un estudio radiológico simple de evaluar las desviaciones en vivo de fémur durante una postura patas. Los resultados de esta investigación apoyan fuertemente la hipótesis de que el fémur se carga principalmente en la compresión, flexión y no como se pensaba anteriormente. El análisis de elementos finitos demostró que una distribución de esfuerzo de compresión en la diafisaria del fémur se puede lograr, produciendo una distribución de la tensión que parece ser consistente con la geometría de la sección transversal del fémur. El análisis de elementos finito.s predijo también que para un caso de carga de compresión no habría desviaciones insignificantes de la cabeza femoral. El estudio radiológico confirmó esto, sin desviación medible in vivo de fémur que ocurre durante una postura patas.

Palabras clave: Estrés y distribución de la tensión, de fémur intacto, compresión flexión Med. Eng. Phys.., 1996, vol. 18, 122-131, marzo

INTRODUCCIÓN

La elección de las fuerzas que se han aplicado al fémur en estudios tanto experimentales como de elementos finitos ha sido un tanto arbitraria, con una gran variación entre los diferentes autores 1 ^ *. La mayoría de los estudios experimentales y analíticos considerar el fémur para ser cargado de manera simplista. Por lo general, sólo una fuerza de reacción conjunta se aplica a la cabeza femoral con a veces una fuerza muscular abductor adicional. Ambos regímenes de carga producen un patrón de distribución de la tensión de flexión característica dentro del fémur. La magnitud y dirección de la fuerza de reacción conjunta que actúa sobre el fémur se ha establecido por tanto el análisis teórico de Paul 5 y por el uso de implantes in vivo de telemetría por Davy et al 6 y Bergmann et al?. Un elemento finito pocos análisis han desarrollado configuraciones de carga más sofisticados, con la conexión de otros grupos musculares 8 '9. Sin embargo, aunque la dirección de las fuerzas de los músculos puede ser estimado, su verdadera magnitud durante la marcha o cualquier otra actividad aún no se ha definido correctamente.Las mejores estimaciones de las fuerzas musculares se han suministrado desde los estudios de optimización del músculo, tales como los de Crowninshi-eld et al. 10, Seireg ei al. 11 y Roerhle et aV 2. Sin embargo, estos valores deben ser tomados con cautela debido a las numerosas suposiciones hechas en su cálculo, por ejemplo Roerhle 12 utiliza la minimización de las fuerzas musculares como los criterios de optimización.Por lo tanto, hay un grado de incertidumbre en la selección de los músculos que son importantes, y su relevancia para el ensayo mecánico. Por lo tanto, debido a esta incertidumbre, el objetivo debe ser encontrar el modo de carga es dominante en el fémur, es decir, si se trata de flexión, compresión o torsión.

El esfuerzo de flexión patrón generado dentro de la región diafisaria del fémur, debido a una fuerza de reacción conjunta, con o sin una fuerza secuestrador, ha sido bien informado 1-4. Sin embargo, una consideración cuidadosa de esta configuración de carga sugiere que puede ser fisiológicamente apropiado, para un número de razones. Esta configuración de la carga produce altas tensiones de compresión medial, resistencia a la tensión ligeramente inferior lateral y anterior insignificante y posterior tensiones. 'Ley de Wolff-13 predice que el hueso se adaptará para igualar la tensión aplicada o los niveles de tensión. Por lo tanto, para este tipo de carga, sería de esperar ya sea un área elíptica de la sección transversal o un grosor de la corteza variable o una combinación de los dos. Sin embargo, un estudio geométrico del fémur por Huiskes 14 demostró que la región diafisaria del fémur es aproximadamente circular, con un grosor de la corteza bastante constante, por lo tanto, lo que sugiere, de acuerdo con la "Ley de Wolff ', una distribución de tensiones más uniforme alrededor de la

circunferencia femoral. Por lo tanto, la distribución de la tensión de flexión generada dentro del fémur durante la marcha no puede ser consistente con su geometría real.

Los huesos largos de las extremidades inferiores pueden ser considerados como teniendo dos funciones principales:

i. apoyar y (ii) estructuras en la que los músculos puede actuar para generar movimiento 11. Tanto de las funciones requieren el hueso a ser rígido y deformar insignificantemente. Análisis de elementos finitos de todo el fémur predice grandes movimientos de la cabeza femoral debido estas cargas de flexión aplicadas, producidas por una fuerza de reacción conjunta y una fuerza secuestrador de entre 10 y 15 mm en el plano coronal. Cabe preguntarse si en realidad ocurren en realidad tan grandes desviaciones, y por lo tanto si el fémur se somete a este tipo de grandes momentos de flexión.

Además, la carga de flexión que por lo general se representa puede producir condiciones de carga unphvsiological en la rodilla. Pauwels realizó un análisis teórico de las cargas aplicadas a toda la extremidad inferior durante una postura patas. Análisis Pauwels 'empezó por examinar la extremidad inferior como una simple columna y luego se hizo gradualmente más compleja con la adición de las articulaciones y los músculos. Se añadieron los músculos para (i) estabilizar la estructura y (ii) para reducir al mínimo la flexión. Con el fin de estabilizar la articulación de la rodilla que era necesario añadir el ligamento colateral lateral (pero no el ligamento colateral medial). Cuando el miembro inferior se cargó predominantemente en flexión, el ligamento colateral lateral se requiere para resistir una fuerza de aproximadamente dos veces y media el peso corporal. En comparación, las estructuras de los tejidos blandos mucho más grandes, como los secuestradores y el tracto iliotibial sólo estaban obligados a generar aproximadamente dos veces y una vez veces el peso corporal, respectivamente. Esto sugiere que, con respecto a su tamaño, la configuración de carga de flexión está generando fuerzas mucho más grandes en el ligamento lateral externo de lo que es capaz de resistir en vivo.

Parecería más lógico suponer que el lémur está cargado en compresión axial, y cada vez hay más pruebas que sugieren la existencia de mecanismos que actúan para reducir el momento de flexión externa para producir tal condición de carga. Frost 17 sugirió que la curvatura de los huesos largos, por ejemplo el arco posterior-anterior del fémur, se ha desarrollado con el fin de resistir la flexión, lo que garantiza que las cargas se transmiten axialmente. Pauwels fue la primera a la hipótesis de que los músculos eran biomecánicamente importante en la reducción de las cargas de flexión externas, para reducir al mínimo las tensiones óseas. En una continuación de su análisis teórico, Pauwels llegó a demostrar que la aplicación de las fuerzas musculares reduce significativamente las tensiones en general dentro del fémur, tanto en los planos coronal y sagital. Aunque las cargas combinadas en el fémur en realidad aumentaron, debido a la reducción de la flexión de los niveles de estrés en general se redujeron. Pauwels llegó a afirmar que los perfiles de los momentos de flexión son invariantes e independiente de la postura seleccionado o el movimiento realizado. Currey 15 también ha hablado de la posibilidad de que la actividad muscular ayuda a eliminar los momentos de flexión que de otro modo podrían ser producidos en los huesos, y los huesos que están diseñados principalmente como miembros de compresión. Currey también describe cómo la carga de compresión conduce a una distribución más económico del material óseo. Si el hueso se carga en flexión, tensiones más altas se generan y, por tanto, serían necesarios más de masa ósea para resistir estas tensiones. Hueso sometido a compresión experimenta menores niveles de estrés, por lo tanto, requiere menos material óseo. Esto conlleva un ahorro no sólo en el costo de la producción biológica del hueso, sino también en los costos de energía "durante la locomoción.

Aunque ha habido un considerable debate sobre la posibilidad de la acción muscular reduciendo el momento de flexión externa, poca investigación se ha llevado a cabo para confirmar o rechazar esta teoría. Rohlmann ei al. Llevado a cabo un combinado de elementos finitos y análisis experimental, parte de la cual estudió la eficacia de la cintilla iliotibial a reducir el plano coronal de flexión 8. Rohlmann encontró que aunque el tracto iliotibial tendió a reducir el plano coronal flexión no lo eliminó. Munih et al. U han confirmado parcialmente la teoría de que los músculos actúan para reducir la flexión, por una investigación in vivo de los momentos de flexión en el plano sagital de la extremidad inferior. Munih et al. Medido la actividad muscular de cinco sujetos y, a continuación, utilizando los datos

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