Validación experimental de un modelo de elementos finitos de una tibia cadavérica humana

Los modelos de elementos finitos (FE) de huesos largos se utilizan ampliamente para analizar diseños de implantes. La validación experimental se ha utilizado para examinar la precisión de los modelos de FE de fémures cadavéricos; sin embargo, aunque se han llevado a cabo pruebas de convergencia, ningún modelo de FE de una tibia cadavérica humana intacta e implantada se ha validado utilizando un rango de condiciones de carga experimentales. El objetivo del presente estudio fue crear modelos de FE de una tibia cadavérica humana, tanto intacta como implantada con una prótesis unicompartimental de rodilla, y validar los modelos con respecto a los resultados obtenidos de un conjunto exhaustivo de experimentos. Se colocaron diecisiete rosetas de deformación en una tibia cadavérica humana. Se midieron las deformaciones superficiales y los desplazamientos bajo 17 condiciones de carga, que consistieron en cargas axiales, torsionales y de flexión. La tibia se evaluó tanto antes como después de la implantación de la prótesis de rodilla. Se crearon modelos de FE basados en tomografías computarizadas (CT) de la tibia cadavérica. Los modelos consistieron en elementos tetraédricos de diez nodos y utilizaron 600 propiedades de materiales derivadas de las exploraciones por CT. Los experimentos se simularon en los modelos y los resultados se compararon con los resultados experimentales. Las mediciones de deformación experimental fueron altamente repetibles y las rigideces medidas se compararon bien con los resultados publicados. Para la tibia intacta bajo carga axial, la línea de regresión a través de un gráfico de deformaciones predichas por el modelo de FE frente a las deformaciones medidas experimentalmente tuvo una pendiente de 1.15, un intercepto de 5.5 microstrain y un valor de R(2) de 0.98. Para la tibia implantada, la línea de regresión comparable tuvo una pendiente de 1.25, un intercepto de 12.3 microstrain y un valor de R(2) de 0.97. Los errores cuadráticos medios fueron del 6.0% y del 8.8% para los modelos intacto e implantado bajo cargas axiales, respectivamente. El modelo generado por el presente estudio proporciona una herramienta para simular condiciones de pruebas mecánicas en una tibia humana. Esto tiene un valor considerable para reducir los costes de las pruebas físicas al preseleccionar las condiciones de prueba más apropiadas o los diseños protésicos más favorables para las pruebas mecánicas finales. También se puede utilizar para comprender mejor los resultados de las pruebas físicas, al permitir la predicción de aquellas variables difíciles o imposibles de medir directamente.