Simulación por Elementos Finitos y validación de un modelo virtual de la columna lumbar humana

Abstract

Miles de años han transcurrido desde que empezó la evolución del hombre, y este, siempre en busca de su bienestar, fue desarrollando métodos y tecnologías que lo llevaron a diseñar e implementar procedimientos para la mejora de su salud. Con el avance de la tecnología, estos procedimientos han ido evolucionando a sistemas cada vez más complejos que implican no solo un diseño mecánico, sino también electrónico. Actualmente, la ingeniería apunta a desarrollar prótesis inteligentes con materiales inteligentes que cambien sus propiedades dependiendo de la condición en la que se encuentre y que impliquen un control inteligente. Pero para llegar a este punto es necesario aún mucho trabajo. La tecnología también nos ha permitido simular cualquier sistema antes de ser siquiera manufacturado para poder evaluar sus características y realizar las correcciones necesarias, todo eso. de manera virtual. El punto de partida del presente trabajo es el creciente mercado de prótesis biomecatrónicas y todo lo que esto conlleva. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo virtual que sirva como herramienta para continuar con las investigaciones concernientes al desarrollo de prótesis, entre otras aplicaciones. El trabajo está organizado en 5 capítulos más conclusiones y recomendaciones. En el capítulo 1 se presenta el problema además del alcance y limitaciones de este trabajo. En el capítulo 2 se expone el marco teórico y se da a conocer los principales conceptos y terminología utilizada. La anatomía y la biomecánica de la columna vertebral son explicadas a detalle. Además, se hace un breve repaso del método de los elementos finitos para luego resumir los principales trabajos desarrollados y el estado del arte en el campo de la ingeniería biomédica por el método de los elementos finitos. En el capítulo 3 se muestra todo el desarrollo del modelo planteado para su posterior simulación además de especificar los parámetros y criterios utilizados para dichas simulaciones. En el capítulo 4 se muestran los gráficos y resultados obtenidos, luego de las pruebas de simulación. Estos resultados son luego comparados con pruebas experimentales para la validación del modelo desarrollado. En el capítulo 5 se explica la incidencia de esta tesis en la ingeniería mecatrónica. Métodos de adquisición de datos y desarrollo de máquinas mecatrónicas para las pruebas in Vitro y en vivo, además del desarrollo de prótesis inteligentes son temas abordados en este capítulo. Finalmente, las conclusiones obtenidas en este trabajo y las recomendaciones propuestas para futuros trabajos son listadas. Quisiera terminar este prólogo, no sin antes agradecer a mis padres, Sergio y Celmira, y hermanos que sin su incalculable apoyo no hubiera sido posible concluir este trabajo. Agradezco al Ing. José Oliden Martínez, mi asesor principal y amigo, por todo su tiempo y dedicación en la revisión de esta tesis y sus valiosos consejos tanto a nivel profesional como personal. Finalmente, mi eterna admiración y gratitud al departamento de Ingeniería Mecánica del Centro de Investigación EMPA, en Zurich, Suiza, institución en donde se desarrolló esta tesis, y al programa y amigos de IAESTE que gracias a ellos pude pasar maravillosos momentos allá en Europa.