biofísica aplicada medicina

1. 1ER Informe DE Biofisica - Discos Interv
Biofisica (Universidad Norbert Wiener)
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2. Material properties of human
lumbar intervertebral discs
across strain rates
por Janina Nicho, Rafael Flores, Mariana Peña
imagen [1]
Universidad Norbert Wiener - Medicina Humana
Profesor Muñoz, Andy William
2023, Ciclo I
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3. INTRODUCCIÓN
En el siguiente informe se explicarán las propiedades materiales de
los discos invertebrales específicamente en la zona lumbar en
humanos, se busca estudiar cómo reacciona esta parte del cuerpo a la
actividad diaria y a diferentes padecimientos en estas, ya sea dolores
de la espalda baja o demás lesiones biomédicas, todo esto con el fin de
desarrollar tratamientos más efectivos para las enfermedades y
lesiones de la columna vertebral.
Para esto se usarán técnicas in vitro e in vivo y se usará el método de
elementos finitos, este método consiste en computarizar materiales y
simular cómo reaccionan a ciertos elementos, así el estudio in vivo
podrá ser realizado sin errores, en la técnica in vivo se usaron 16
muestras de 4 cadáveres. La técnica de elementos finitos fue usada
anteriormente, en estos experimentos se estudiaron las propiedades
materiales de los discos invertebrales en diferentes animales.
Este informe implica desarrollar el método de elementos finitos para
todo un sistema y optimizar así las propiedades de los materiales de
los componentes individuales y así garantizar la conformidad entre
los resultados Fe y los datos del informe.
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4. Cuerpo
I) DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN: El artículo describe el
desarrollo de un modelo de elementos finitos (FE) para el disco
intervertebral (DIV) lumbar humano. El modelo se basa en la
selección de puntos de referencia anatómicos ósea clave a partir de
tomografías computarizadas, que luego se utilizan para generar
representaciones paramétricas en malla de muestras. El tamaño del
núcleo pulposo (NP) se fijó para que tuviera un área de sección
transversal del 29 % del área de sección transversal total del DIV. En
este experimento los investigadores tomaron como muestra a 4
cadáveres en un rango de edad (20 -50 años) los cuales fueron
aprobados por un comité de ética de la universidad. De los 4
cadáveres se extrajeron 4 muestras para dicho estudio según el nivel
estructural ( L1-L4) . Una vez realizada las muestras se colocaron en
un olla a presión; aparato tecnológico que sirve para medir los
parámetros físicos como la presión, esfuerzo, tensión de los tejidos en
la muestra.
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5. A nivel de la muestra se acondicionó la altura y adaptaciones para
que el corte anatómico no sufra adaptaciones que se alejen de la
anatomía. Se entiende que el experimento se aproxima a la realidad
de las muestras en el humano. Se registró una presión del 15 % como
máximo para evitar la rotura por presión de la muestra ya que el
experimento tiene como objetivo conocer los parámetros físicos más
no llegar a la fase plástica o de ruptura del tejido. El comportamiento
de muestra se podrá registrar a través de sensores inyectados en la
muestra y almacenada por los científicos. Se insertó una aguja con un
sensor en el núcleo pulposo para su medición y registro electrónico.
II) DIAGRAMA GEOMÉTRICO DE LA MUESTRA: Para el uso del
programa electrónico llamado
Elementos Finitos (EF) se necesita
de una muestra geométrica
tridimensional para poder cargar
los datos físicos sobre las
estructuras en mención. Como se
sabe Elementos finitos es un
programa usado en otras áreas
como ingeniería civil, mecánica o
hidráulica. A pesar de ello su
adaptación a modelos anatómicos
se realizó desde hace años.
Huesos como el fémur e implantes
metálicos han sido estudiados
para su producción en la industria médica.
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6. Existen estudios previos en dicha área médica, los cuales los
elementos finitos acumularon datos sobre las propiedades físicas de
los discos intervertebrales. Pero no se tiene datos sobre el nivel de
deformidad del disco intervertebral y la velocidad de la misma.
III) Elementos Finitos Inversos:
Una vez realizados los estudios a
distintas presiones en las
muestras anatómicas se
recabaron datos. Esta data fue
comparada entre los valores
anteriores ya estudiados. Y se
busca encontrar un valor
intermedio en relación a los
valores estudiados. Los gráficos
se calcularon en tres cepas: 4%,
8% y 12%. No se observaron
diferencias significativas entre
los niveles de la columna
vertebral en ninguna tensión (p>
0,05) y, por lo tanto, los datos de
nivel se agruparon para su
posterior análisis. La rigidez IVD
aumentó con la velocidad de deformación en las tres deformaciones,
con rigidez (k,kN/mm)-tasa de deformación para 4%, 8% y 12% de
deformación.
En el gráfico se expone una media de los valores de esfuerzo versus
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7. deformación de los tejidos del disco intervertebral. En la imagen se ve
un promedio de las distintas curvas en estudios anteriores. Se
concluye un comportamiento lineal –logarítmica.
IV) Discusión: Se centra en la validación del modelo de elementos
finitos (FE) para el disco intervertebral (DIV) lumbar humano y su
capacidad para predecir el comportamiento biomecánico del DIV. Los
autores destacan que el modelo FE produjo resultados similares a los
valores experimentales en términos de fuerza-desplazamiento y
presión-desplazamiento, lo que sugiere que el modelo es una
herramienta útil para estudiar la biomecánica del disco
intervertebral.
También se discute la
importancia de tener
en cuenta la velocidad
de deformación al
desarrollar modelos
Elementos Finitos de la
columna vertebral y el
gráfico de arriba
muestra la rigidez del
disco intervertebral
versus tasa de
deformación
logarítmica a
(izquierda) 4 %,
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8. (centro) 8 % y (derecha) 12 % de deformación. Las líneas negras
muestran el promedio de tensiones realizadas en las distintas
muestras. Se observa el comportamiento de una relación directa
entre la tensión y la deformación que pueden tener relevancia clínica
en los pacientes. Presión del núcleo pulposo por kN de carga axial
versus velocidad de deformación logarítmica a (izquierda) 4 %,
(centro) 8 % y (derecha) 12 % de deformación , no muestra grandes
cambios en su comportamiento deformidad. Puede tener relevancia
clínica para poder distinguir las características del núcleo pulposo en
la deformación por compresión
Conclusiones
● Existe relación lineal logarítmica entre la rigidez del IVD lumbar
y la velocidad de deformación.
● La capacidad predictiva de los modelos de FE de la columna
vertebral que se utilizan para: deformidades de la columna
vertebral, la biomecánica de lesiones, el diseño de implantes, el
diseño de sistemas protectores y enfermedad degenerativa del
disco, en cada uno de estos, el método de FE será impredecible
para predecir si es factible o no.
● El modelo de material Neo-Hookean de la matriz de tierra AF era
independiente de la velocidad de deformación con un valor
promedio de 0.68 MPa.
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9. Bibliografía
● Adams, M. A., & Dolan, P. (2012). Intervertebral disc
degeneration: evidence for two distinct phenotypes. Journal of
Anatomy, 221(6), 497-506.
● Antoniou, J., & Steffen, T. (2015). The role of disc degeneration
and ligament failure in low back pain. Clinics in Orthopedic
Surgery, 7(3), 303-312.
● Brinjikji, W., Diehn, F. E., Jarvik, J. G., Carr, C. M., Kallmes, D. F.,
& Murad, M. H. (2015). MRI findings of disc degeneration are
more prevalent in adults with low back pain than in
asymptomatic controls: a systematic review and meta-analysis.
American Journal of Neuroradiology, 36(12), 2394-2399
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