Anàlisi biomecànica amb elements finits de fractures de tíbia, per estrès, en esportistes

Abstract

[cat] La creixent incidència de fractures per estrès, en concret de tíbia, demostra la manca d'informació de la fisiopatologia i la biomecànica de les lesions per microtraumatismes en l'os. Aquestes lesions es deuen a l'aplicació repetitiva de càrregues relativament petites durant molts cicles, o sigui un mecanisme clar de fatiga. Quan la magnitud de la càrrega i la freqüència del microtraumatisme és més gran que la seva resistència òssia, s'inicia un augment de remodelació, i això provocarà la fractura per estrès. Per comprovar el comportament de l'os, respecta a unes forces determinades, de compressió, tracció rotació, etc. hem optat per confeccionar un model amb elements finits. La hipòtesi de treball consisteix a valorar si un determinat gruix de cortical de la diàfisis de la tíbia és indicatiu de possibilitat de patir una fractura per estrès en aquest os. Per aconseguir un model sòlid s'han processat les imatges obtingudes escanejant la tíbia i el fèmur d'un esportista representatiu, s'han tractat les imatges amb un programa que ens ha permès l'obtenció del contorn dels ossos i la separació de les zones cortical i esponjosa. S'ha quantificats els angles articulars en les 3 fases de recolzament de la cursa, fase d'impacte retropeu, fase de contacte avantpeu i fase d'impulsió. S'ha valorat les propietats de l'os cortical i de l'os esponjós. També s'han estudiat forces de reacció del terra i la força muscular S'han aplicat les forces, segons els angles articulars en les 3 fases de la cursa i s'ha observat la resistència del material de l'os. S'han considerat dues condicions especials la cursa en pujades i l'augment de la pronació del turmell. També s'ha considerat el risc de fractura tenint en compte, estats de tensions de tracció, sense microtraumatisme previ de l'os, amb microtraumatisme previ de l'os i compressió amb microtraumatisme preexistent.. Amb unes conclusions sobre la hipòtesi de treball que el gruix de la cortical de la tíbia és determinant en el nivell de tensió que es desenvolupa en totes les fases de la cursa. Per el que podem afirmar que el guix de la cortical de la tíbia, per la seva geometria, és una variable molt important per a la producció de la fractura per estrès. S'ha demostrat la importància de la força muscular per disminuir les tensions que actuen sobre l'os. Les zones de màxim esforç de tracció/compressió es desenvolupen durant l'etapa de contacte avant-peu. Quan s'inicia una fissura a l'os es pot fer servir la llei de Paris de propagació de l'esquerda per fer una previsió de vida a fatiga de la tíbia.

[eng] Title of the doctoral thesis: BIOMECHANICAL ANALYSIS WITH FINITE ELEMENTS OF STRESS FRACTURES OF THE TIBIA IN SPORTSPEOPLE The growing appearance of stress fractures, specifically of the tibia, shows the lack of information on the physiopathology and biomechanics of injuries due to micro-traumatisms in the bones. These injuries are caused by the repeated application of relatively small loads during various cycles, thus a clear mechanism of fatigue. When the magnitude of the load and the frequency of the micro-traumatism grow bigger than the bone resistance, an increased bone remodeling is initiated, which may provoke a stress fracture. In order to check on the bone behavior with regard to some determined forces of compression, traction, rotation, etc., we decided to design a model with finite elements. Our working hypothesis consisted in assessing if a determined cortical thickness of the tibial diaphysis indicates the possibility of suffering a stress fracture in this bone. To achieve a reliable model, the images obtained by scanning the tibia and femur of a representative sportsman were processed, editing them with a program, which gave us the outline of the bones as well as the separation of the cortical and trabecular bone. The articular angles were assessed in the three phases of support phase while running: the stage of back foot contact, midstance, and the stage of giving impulse. The characteristics of the cortical bone and the soft-tissue bone were also assessed. At the same time, we looked at the reaction force of the ground and the muscular force. When applying the forces according to the articular angles of the three phases of running, we were able to observe the resistance of the bone material. Two special conditions were taken into consideration: running up slopes and the increase in the ankle pronation. The fracture risc was also taken into account, bearing in mind states of traction tension with and without previous micro-traumatism of the bone, and compression with a pre-existing micro-traumatism. And so is the importance of the muscular force to reduce the forces acting on the bone. In conclusion to the hypothesis of the study, we can say that the cortical thickness of the tibia is a deciding factor in the tension level developed in all the stages of the running process. We can confirm that due to its geometry, the cortical thickness of the tibia is a very important variable for the occurrence of stress fracture, could be observed the importance of the muscular force to reduce the tensions acting on the bone. The zones of maximum traction/compression effort develop during the stage of front foot contact. At the early stage of a bone fissure, Paris' Law for crack propagation can be applied to make a prediction of the duration of the tibia fatigue.