Práctica estándar ASTM F3334-19 para el análisis de elementos finitos (FEA) de componentes tibiales ortopédicos metálicos de rodilla total

En la “Práctica estándar ASTM F3334-19 para el análisis de elementos finitos (FEA) de componentes tibiales totales de rodilla ortopédicos metálicos” desarrollada por la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM), requisitos y consideraciones totales ortopédicos metálicos para la simulación numérica de componentes tibiales de rodilla se describen. Esta aplicación solo es válida para tensiones por debajo del límite elástico como se especifica en el certificado de material.

Esta aplicación incluye requisitos para el desarrollo de modelos de elementos finitos utilizados en la evaluación de diseños de componentes tibiales ortopédicos metálicos de rodilla total con el fin de predecir tensiones y deformaciones estáticas del implante. Este procedimiento se utiliza para la evaluación del peor de los casos de una serie de diferentes tamaños de implantes del mismo diseño de implante para reducir la carga de las pruebas físicas. Este estándar proporciona procedimientos recomendados para realizar verificaciones y validaciones de modelos como ayuda para determinar si el análisis sigue las pautas recomendadas. Finalmente, se presenta el contenido sugerido de un informe de ingeniería que cubra la simulación mecánica.

En términos de limitaciones, esta aplicación se limita al análisis estructural estático de componentes tibiales totales de rodilla ortopédicos metálicos (excluye la estimación de la resistencia a la fatiga).

Este estándar es válido para calcular las tensiones observadas en el componente tibial de una rodilla cuando se carga como se describe en este documento. Esta aplicación se puede utilizar para determinar el peor tamaño de un implante en particular. Cuando las tensiones calculadas utilizando este método de análisis de elementos finitos se compararon con las tensiones medidas en dos ubicaciones de la bandeja tibial utilizando técnicas de medición de tensión física realizadas en un laboratorio, la diferencia observada fue de menos 6,8 por ciento en una ubicación (los indicadores de tensión informan una tensión más alta). y 3,1 por ciento en el otro lugar (el método de análisis de elementos finitos informa un voltaje más alto). Esta diferencia debe tenerse en cuenta al determinar el tamaño o tamaños más desfavorables para el mismo diseño de implante.

La carga in vivo de diseños de bandeja tibial generalmente difiere de la carga descrita en esta solicitud. Sin embargo, esta aplicación está diseñada para permitir comparaciones entre el rendimiento a la fatiga de diferentes diseños de componentes tibiales metálicos cuando se prueban en condiciones similares.

Los modelos de elementos finitos se basan en una representación geométrica del dispositivo considerado. Los detalles geométricos pueden obtenerse de dibujos, modelos sólidos, dibujos preliminares o cualquier otra fuente adecuada para describir la geometría del modelo. Al crear el modelo de elementos finitos, se pueden eliminar ciertos detalles geométricos de la geometría del implante ortopédico que se muestra en el modelo de diseño asistido por computadora (CAD) si se determina que son irrelevantes para el análisis previsto. Se debe utilizar y justificar el criterio de ingeniería para determinar el alcance de la simplificación geométrica.

Lo más apropiado es considerar la peor condición de estrés para el implante ortopédico simulado. El peor de los casos debe determinarse a partir de todas las consideraciones de ingeniería relevantes, como la geometría y las dimensiones del componente tibial. Si se utiliza el análisis de elementos finitos para determinar el peor de los casos, es posible que no se conozca el tamaño del peor de los casos. Puede que sea necesario ejecutar varias dimensiones para determinar el peor de los casos. Si los resultados del análisis de elementos finitos (FEA) no determinan definitivamente la configuración del peor de los casos, se debe agregar una justificación (por ejemplo, análisis adicionales o pruebas físicas) para justificar el tamaño del peor de los casos.

Las propiedades del material requeridas como entrada para el cálculo de deformación y desplazamiento en un modelo de análisis de elementos finitos elástico y lineal son el módulo de elasticidad y el índice de Poisson. Estos valores se pueden obtener de los datos de certificación de materiales.

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