Desarrollo de un modelo basado en redes neuronales para la predicción de cargas aplicadas en la tibia humana. Aplicación al diseño de prótesis de rodilla de revisión

Quílez Callén, María Paz
Pérez Ansón, María Ángeles (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2013
Departamento de Ingeniería Mecánica, Área de Mec. de Medios Contínuos y Teor. de Estructuras

Máster Universitario en Ingeniería Biomédica

Resumen: Este trabajo se ha desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica, dentro del área de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras. Su principal objetivo es la estimación de las cargas aplicadas en la tibia de un paciente concreto mediante un método basado en Redes Neuronales Artificiales y, posteriormente, utilizar estas cargas para la evaluación del efecto de distintos tipos de prótesis de rodilla de revisión en la remodelación ósea. El hueso está sometido a un proceso continuo de renovación que se conoce con el nombre de remodelación ósea. Este proceso adaptativo se produce debido a los importantes cambios morfológicos que sufre el hueso en respuesta a la situación mecánica a la que se encuentra solicitado. Al incorporar una prótesis al hueso, se modifica la distribución de tensiones a la que se encuentra sometido, produciendo una formación o reabsorción ósea dependiendo de la zona del hueso y del tipo de prótesis. Un aspecto poco estudiado en este campo es la determinación de las cargas reales a las que es sometida la tibia de un paciente concreto. Este complejo problema se ha intentado abordar en este Trabajo Fin de Master mediante una combinación del método de los Elementos Finitos y las Redes Neuronales Artificiales. Para ello este trabajo se ha dividido en dos partes: la primera parte se centra en la determinación de las cargas que afectan a la tibia de un paciente concreto mediante un método basado en Redes Neuronales, y la segunda la utilización de dichas cargas para analizar la reabsorción ósea que producen cuatro tipos distintos de prótesis de rodilla de revisión. Para la primera parte del trabajo se ha analizado el problema de remodelación ósea, aplicando un rango de condiciones de carga al modelo 3D de una tibia real. De este análisis se han obtenido unas densidades óseas, que sirven de entrada para la Red Neuronal Artificial. Después de entrenar la red con una función sigmoidea como función de entrada, distinto número de neuronas en la capa intermedia y una función lineal como salida, se han obtenido unas cargas, las cuales se han comparado con las condiciones de carga aplicadas inicialmente y se ha obtenido un error de cálculo. Tras determinar el número de entradas y neuronas de la capa intermedia más adecuado, se han introducido las cargas obtenidas en el modelo de la tibia con distintas prótesis, evaluando su efecto en la remodelación ósea. Como parte clínica de este trabajo se asistió a una intervención quirúrgica en el Hospital Clínico Universitario Blesa, en la que se realizó un recambio de prótesis de rodilla. Además se han mantenido reuniones periódicas con médicos del Departamento de Traumatología de dicho hospital.

Palabra(s) clave (del autor): prótesis ; rodilla ; abaqus

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Master