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Biomecánica de los huesos Fandiño Coba Juan Camilo. Castillo Nelson Stiven Cod. 20131015120, 20131015051 16 de septiembre de 2016
Resumen — En el presente documento se muestra un resumen a grandes rasgos de los que es la biomecánica de los huesos. Partiendo desde una base teórica y fundamentándose conforme avanza el informe. Además, se plantean particularidades de la temática y al final se exponen conclusiones influenciadas hacia la parte ergonómica e ingenieril. Biomecánica, hueso, tejido óseo, Índice de Términos — Biomecánica,
esfuerzo.
I. INTRODUCCIÓN La biomecánica ha conllevado a grandes avances en tema de medicina, salud ocupacional y el deporte. La necesidad de analizar el cuerpo del ser humano como una estructura permite crear soluciones a algunos problemas y caracterizar ciertas situaciones de modo tal que las leyes de la física y química puedan usarse a nuestro nuestro favor. De una manera más directa, durante este documento se abarcará el tema referente a la biomecánica de los huesos en donde se mostrarán distintas particularidades que tiene los huesos de los seres humanos, entre ellas resaltamos la resistencia, las formas de esfuerzo mecánico que le afectan, la composición de los mismos, entre otras. Es importante conocer estos conceptos para poder diseñar un puesto de trabajo o un producto de una forma adecuada hablando desde la perspectiva ergonómica.
II. OBJETIVOS
Presentar el concepto de biomecánica de los huesos y los factores que lo implican Dar a conocer características fundamentales sobre el comportamiento comportamiento mecánico que tienen los huesos.
III. MARCO TEORICO Biomecánica: ciencia que aplica las leyes de movimiento mecánico en los sistemas vivos, especialmente en el aparato locomotor. [1]
Hueso: El hueso desempeña dos tipos de funciones fundamentales, funciones mecánicas de soporte del organismo y de protección de los órganos internos, y funciones fisiologicas de control del metabolismo de calcio, fósforo y magnesio. En el estudio del hueso este puede considerar tanto como como un tejido, como una estructura. estructura. [2] Biomecánica laboral: Ciencia que estudia la interacción de los trabajadores con sus herramientas, máquina y materiales en sus puestos de trabajo, a fin de mejorar el rendimiento del trabajador minimizando los riesgos de las lesiones músculo esqueléticas. Ergonomía biomecánica: Es el área de la ergonomía que se dedica al estudio del cuerpo humano desde el punto de vista de la mecánica clásica o Newtoniana, y la biología, pero también se basa en el conjunto de conocimientos de la medicina de trabajo, la fisiología, la antropometría y la antropología. Esfuerzo: En Física, más específicamente en la rama de la Mecánica, como esfuerzo se conoce la fuerza que actúa sobre un cuerpo para deformarlo. En este sentido, el comportamiento comportamiento de la materia variará dependiendo de cómo se aplique esta fuerza. Así, esta puede causar diferentes deformaciones en los cuerpos.
IV. HUESO Antes de entrar de lleno a la biomecánica de los huesos, es importante afianzar unos conceptos sobre la composición de los mismos para poder comprender mejor el funcionamiento mecánico que tienen los huesos. El hueso es un material compuesto de dos fases: Una fase inorgánica de sales y minerales, y una matriz orgánica de colágenos y substancia fundamental.
Componente inorgánico: Aporta dureza y rigidez (colágeno y glucoproteínas). Componente orgánico: Aporta flexibilidad y elasticidad (fosfato de cálcico cristalizado).
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Fig 1. Hueso compacto y esponjoso.
Fig 3. Hueso esponjoso y hueso compacto.
Esta estructura ósea tiene una composición, constitución, organización interna y externa. Composición: 35% sustancias orgánicas, 45% sustancias inorgánicas y 20% H2O. Constitución: esta consta de tres niveles. Primer nivel: Sustancias fundamental amorfa, fibras de colágeno/hidroxipatita y elementos celulares. Segundo nivel: osteon o sistema haversiano: o Unidad estructural del hueso. o Compuesto de láminas concéntricas de matriz mineralizada(lamelas). Rodean un canal central que contiene vasos o sanguíneos y fibras nerviosas. No hay paso de colágeno entre un osteon y o otro. Los osteones se unen entre si a través de una o substancia cementante.
El hueso esponjoso es particularmente importante dentro del comportamiento mecánico de los huesos, el conocimiento de su estructura se debe a estudios realizados en la cresta ilíaca y en los cuerpos vertebrales. Este tipo de tejido ósea laminar existe en mayor o menor cantidad en todos los huesos del cuerpo humano, y está dispuesta como un enrejado tridimensional de columnas y placas óseas que están rodeadas por el hueso cortical y continuidad con él a través de su superficie interna. Las trabéculas del hueso esponjoso están constituidas por hueso laminar no haversiano, aunque en ocasiones puede observarse una osteona, y se orientan de manera que se obtenga el máximo de resistencia utilizando la misma cantidad de material., a continuación, resaltaremos algunas de sus características:
Laminas agrupadas en número reducido, que dejan grandes espacios entre grupos de laminillas. Siguen direcciones distintas. En general los espacios están ocupados por médula ósea. La constitución interna consta de: Tejido compacto – tejido esponjoso Tejido reticular, no laminar o fibroso Periostio y endostio, médula ósea, vasos y nervios. Por su parte la constitución externa del tejido ósea se compone de: Diáfisis: es hueso compacto Metáfisis: está formada de cartílago hialino, hasta la osificación. Epífisis: es hueso esponjoso recubierto de cartílago.
Fig 2. Osteon
Tercer nivel: Macroscópicamente el hueso está compuesto de: o Hueso compacto o Hueso esponjoso puede considerarse como un continuo entre material menos a uno más poroso.
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3 Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de ingeniería Proyecto curricular de ingeniería Industrial Ergonomía de las Proporciones de las Asimetrías Primeros 15 meses crecimiento de craneal a caudal Desde 7-8 años crecimiento de caudal a craneal. o o
VI. FUNCIÓN MECÁNICA La biomecánica de los huesos ha venido tomando fuerza en las últimas décadas debido a los avances tecnológicos que permiten hacer desarrollos y mejores estudios sobre los comportamientos mecánicos que pueda tener. Los huesos constituyen un esqueleto protector de órganos vitales tejidos blandos y sistemas orgánicos (como el sistema nervioso central) actuando de “estuche”. La función de sostén es la ejercida por las “palancas” de Fig 4. Partes del hueso.
Funciones del hueso: dentro de la diversidad de las funciones de los huesos podemos clasificarlas genéricamente en: Homeostasis mineral: Ca, P, Mg, Na Receptáculo de órganos hematopoyéticos. Protección. Mecánica y sostén: Locomoción. o o Transmisión de fuerzas. o Palancas.
movimiento que forman los huesos mediante la inserción que presta a los músculos y tendones y que, además, participan junto con el sistema nervioso, y las articulaciones en la generación de movimiento.
V. LEYES DEL TEJIDO ÓSEO Dentro de la biomecánica de los huesos es de suma importancia resaltar las leyes del diseño óseo y crecimiento óseo, dentro de estas primeras podemos encontrar principalmente: Wolff: Mayor presión sobre los huesos estimula la formación ósea. Delpech: Mayor presión sobre el cartílago inhibe su crecimiento. Jansen: El diseño interno es en dirección de las presiones funcionales. Basset: En relación a la magnitud de las fuerzas funcionales. Jones: No siempre la presión constante estimula al hueso, en ocasiones hay resorción ósea. Huerter- Volkman: Presiones intermitentes estimulan el crecimiento.
Dentro de las características destacables respecto a mecánica de los huesos tenemos: Dureza (indica la resistencia a dejarse penetrar por cuerpos o agentes extraños): posee una dureza de 1/15 del acero. Flexibilidad (capacidad para modificar su forma y volumen dentro de ciertos límites): el hueso puede deformarse 10-20 veces más que el acero o la aleación Cromo-Cobalto. Elasticidad (capacidad para recobrar su forma y volumen primitivos una vez que ha cedido la fuerza inicial que lo ha deformado): el tejido óseo puede soportar una elongación de aproximadamente un 0,3% (la ruptura se produce con una elongación del 4% de su longitud inicial).
Ahora dentro de las leyes de crecimiento óseo son importantes resaltar: Leyes de Serres: o de la Simetría o de las Eminencias o de las Cavidades Leyes de Godín: o Puberales o de las Alternancias
Fig 5. Curva de deformación en función de la carga aplicada a un material
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Cuadro 1. Modulos de elasticidad (en gigapascales[GPa]) de diversos materiales que se usan en ortopedia.
Como se puede ver tanto en la grafica de deformación vs carga aplicada (Fig 5) y en el cuadro de modulos de elasticidad (cuadro 1), el huesos se comporta como cualquier otro material común, teniendo una deformación, zona elastica, zona plastica, modulo de elasticidad, entre otras caracteristicas. El tejido óseo puede ser sometido a varios tipos de esfuerzos mecánicos, los mostrados a continuación son los mas comunes: Compresión Tracción Cizallamiento Flexión Torsión Debido a que lo seres humanos y seres vivos en general, se encuentran en movimiento constante, estos esfuerzos suelen verse combinados dentro del ámbito del diario vivir.
Cizallamiento: La fuerza se aplica perpendicular a la superficie del hueso y las fuerzas máximas tienen lugar en un plano paralelo a la dirección de aplicación de la fuerza. El hueso cortical soporta mejor la compresión que la tracción, y la tracción mejor que el cizallamiento. Ejemplo: Fractura intercondílea de fémur Flexión: Fuerzas aplicadas sobre el hueso que hacen que este se doble sobre su eje mayor, y aparecen en el interior del hueso fuerzas de compresión en el lado de la aplicación de la fuerza y fuerzas de tracción en el lado opuesto. Estas fuerzas son mayores cuanto más alejadas están del eje neutro del hueso. Ejemplo: Fractura de antebrazo al caer y poner la mano en el suelo Torsión: En este caso la fuerza aplicada sobre el hueso tiende a hacerlo rotar alrededor de su eje. Aparecen fuerzas de cizallamiento por toda la estructura, siendo más intensas cuanto más alejadas están del eje neutro del hueso. Ejemplo: Fractura espiroidea de tibia, que se produce cuando se esquía al caer rotando sobre el pie fijo anclado por el esquí.
Dentro de las propiedades mecánicas del hueso existe una caracterización importante y esta es sobre el hueso seco y el hueso húmedo. Hueso seco: (>10% agua) Modulo de elasticidad mayor, ruptura más tardía.
Hueso húmedo: Mas dúctil, comportamiento plástico considerable antes de la fractura.
Fig 6. Trazos de fractura y principales cargas recibidas por el hueso.
A continuación se explicará de una forma mas detenida cada tipo de esfuerzo, las consecuencias que puede acarrear y un ejemplo de fractura por el mismo. Compresión: Dos fuerzas iguales y opuestas que se aplican sobre la superficie del hueso. Como consecuencia este tiende a acortarse y ensancharse. Ejemplo: Los aplastamientos vertebrales. Tracción: Dos fuerzas iguales se aplican en sentido contrario. Como resultado el hueso tiende a alargarse y hacerse más estrecho. Ejemplo: Arrancamiento de la estiloides del quinto metatarsiano.
Fig 7. Curva estrés-deformación: comportamiento del hueso deshidratado vs hueso fresco.
VII. COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO Este comportamiento se da básicamente por tres componentes fundamentales.
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La elasticidad, origina que al aplicar una carga sobre el tejido óseo este presente una deformación inmediata, así como recuperación total de la forma inicial al cesar la fuerza deformante, siendo lineal la relación que existe entre la carga y la deformación ósea. Además, la energía almacenada por el elemento elástico varía según la velocidad: a mayor velocidad en la deformación va a existir una mayor absorción de la energía para cada modificación en la deformación, pero ocurre a la inversa si lo que aumenta es la carga, de forma que cuanto mayor sea la carga menor energía es absorbida. La viscosidad, facilita al tejido óseo que la deformación sea progresiva y sin mucha resistencia cuando la fuerza se aplica a velocidad constante. Cuando la solicitación se efectúa de forma rápida, se produce mayor rigidez (menor deformación y mayor tensión) en el tejido óseo (el módulo de elasticidad y el módulo de rigidez crecen según aumenta la velocidad de la fuerza). La plasticidad del tejido nos indica que, sobrepasada cierta carga o bajo cargas pequeñas muy repetidas, el hueso recupera de la forma inicial, pudiendo observarse un aumento de la deformación sin aumento de tensión asociada. Este comportamiento es especialmente importante durante la época de crecimiento del aparato locomotor, y se debe tenerse en cuenta para evitar las deformaciones óseas permanentes que pudieran tener lugar durante el desarrollo definitivo en la forma de determinados huesos. Un ejemplo de ello es el caso de la epífisis proximal del fémur, cuyos ángulos de inclinación y ante versión deben corregirse progresivamente de forma fisiológica durante las primeras etapas de la infancia, para ello, es importante evitar la hipo corrección de la ante versión de la cabeza femoral debida a mal posiciones en sedestación.
Composición del hueso: Diversas situaciones fisiológicas o patológicas modifican la composición del hueso. Entre ellas cabe destacar la obesidad, la menopausia, el envejecimiento, la enfermedad de Paget, la osteoporosis, etc. Como es lógico, al modificarse la estructura del hueso, se modifican sus propiedades mecánicas. Actividad muscular: En el esqueleto humano, los ejes anatómicos y mecánicos de los huesos no coinciden, por lo que el hueso es vivo, además de ser solicitado mecánicamente a compresión, también lo es a flexión. La contracción muscular tiene como función regularizar las cargas que son transmitidas por el hueso, neutralizando las fuerzas de tracción y haciendo trabajar el hueso a compresión. Con esto se afirma que una persona que realiza actividad física con frecuencia, tiene huesos más grandes y por ende una resistencia del tejido ósea mayor.
IX. FRACTURA ÓSEA La rotura del material óseo puede darse principalmente por dos causas: Por carga simple: Se produce cuando existe una solicitación que excede la resistencia limite. Esta fractura puede ser originada por una carga de gran magnitud que sobrepase el índice de seguridad del tejido, o bien por una fuerza pequeña que se aplique a gran velocidad (como el caso de una bala). Cuando la fuerza se aplica de forma lenta, la línea de fractura es simple, en cambio, si la fuerza ha sido aplicada a alta velocidad se produce una fractura conminuta por estallido (Fig. 8).
VIII. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA PROPIEDADES MECÁNICAS Existen diversos factores que pueden afectar las propiedades mecánicas del hueso, pero dentro de ellas destacamos principalmente: El tamaño y la forma del hueso: La resistencia del hueso, tanto a la compresión como a la tracción, está influenciada por su tamaño. Cuanto mayor es el hueso, mayor es su resistencia. La resistencia a la flexión está determinada también por su forma y por su longitud. Cuanto mayor cantidad de tejido óseo existe alrededor del eje neutro, más resistente es a la flexión. Cuanto mayor es la longitud del hueso, mayor es el momento flector de la fuerza aplicada sobre él. La resistencia a la torsión también está determinada por el tamaño y la forma del hueso.
Fig 8. Fracturas óseas por carga simple
Por múltiples cargas repetidas. En este caso, la ruptura del material óseo se produce por fatiga, debida a cargas repetidas que provocan micro lesiones del tejido que se van acumulando hasta el fallo del material óseo. Las actividades físicas duras
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6 Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de ingeniería Proyecto curricular de ingeniería Industrial Ergonomía continuadas o movimientos repetidos originan una disminución de la capacidad contráctil muscular no pudiendo ser neutralizados los esfuerzos impuestos al hueso, iniciándose micro fracturas en zonas más débiles que llegan a originar la fractura completa del hueso. La secuencia de la lesión por múltiples cargas repetidas se muestra en la figura 9.
Fig 9. Esquema de la secuencia de la lesión por multiples cargas repeitdas.
Por último se tiene la osteporosis que aunque es algo natural es los seres humanos, es de gran importancia mencionarlo. El diámetro del hueso es máximo entre la tercera y la cuarta década de la vida. En individuos, a partir de los 30 años hay pérdida leve de un 0,2-0,5% anual, acelerado tras la menopausia, que puede originar pérdidas de un 50% más que los varones a esa edad, especialmente en mujeres de raza caucásica. La osteoporosis del hueso se produce porque la resorción del hueso es mayor que la aposición ósea. Este problema afecta a más de una por cada 3 mujeres y 1 por cada 10 hombres.
X. CONCLUSIONES
Es relevante conocer el funcionamiento mecánico de una parte tan importante del cuerpo humano como lo es el tejido óseo, para que con esto podamos tener en cuenta factores que afecten biomecánicamente una tarea. Dentro del ámbito de la ergonomía, la biomecánica de los huesos juega un papel importante a la hora de hacer implementaciones, pues aquí podemos encontrar un factor de riesgo bastante fuerte. Como ingenieros industriales debemos poseer una gama amplia de conocimientos para poder implementarlos de una forma u otra dentro de una organización y la biomecánica de los huesos no es la excepción.
XI. BIBLIOGRAFÍA [1] P. R. Mondelo, E. Gregori Torada, J. Blasco Busquets y P. Barrau Bombardó, Ergonomía 3 Diseño de puestos de trabajo, Edicions UPC, 2013. [2] A. V. Voegeli, Lecciones básicas de biomecánica del aparato locomotor, Barcelona, 2001. [3] C. V. Rodrigo, «Slideshare,» [En línea]. Available: : http://es.slideshare.net/leconca/5-biomecanica-del-hueso. [Último acceso: Septiembre 2016]. [4] M. T. A. Carrere y C. Dobabo Álvarez, «Biomecánica clínica - Biomecánica del hueso,» Madrid, 2010. [5] J. L. N. Reina, «Biomecánica del hueso: apliación al tratamiento y a la consolidación de las fracturas,» Elsevier Masson, p. 8, 2014.
