La ruptura del ligamento cruzado anterior (LCA) es la lesión más común de la rodilla humana. Cuando se requiere cirugía, es de mucha ayuda para los cirujanos definir científicamente el mejor punto de inserción del injerto, para que pueda tener una funcionalidad similar a la de un LCA intacto. Para esto, es crucial la estimación de la fuerza que actúa en el ligamento (o injerto) en respuesta a una carga externa aplicada sobre la rodilla. Esta fuerza es llamada fuerza in-situ. El objetivo de esta investigación es evidenciar la relevancia del comportamiento hiperelástico de los ligamentos cruzados en el modelaje bidimensional de la rodilla. Para ello, se propone una metodología secuencial de modelaje basándose en teoría de mecanismos y el método de Davies. En una primera aproximación, los ligamentos cruzados son considerados como cuerpos rígidos; en una segunda aproximación, como cuerpos con comportamiento hiperelástico. Esas dos aproximaciones son comparadas. El modelo proporciona informaciones que permiten asistir el planeamiento pre-operatorio, mediante la simulación de las posiciones y la fuerzas in-situ del LCA. La metodología propuesta consiste en cuatro pasos y considera un procedimiento experimental realizado mediante un manipulador robótico que obtiene las fuerzas in-situ. Las fuerzas in-situ experimentales son usadas para validar el modelo propuesto. Además de apoyar al planeamiento pre-operatorio, el modelo permite verificar dos hipótesis biomecánicas relevantes: 1. Para la simulación de la fuerza in-situ del LCA, el modelaje de los ligamentos cruzados como barras rígidas, presenta resultados semejantes a los del modelaje que considera el comportamiento hiperelástico (más elaborado). 2. Las fuerzas in-situ del LCA pueden ser aproximadas satisfactoriamente, cuando la rodilla es modelada como un mecanismo bidimensional de 4-barras. Con base en los resultados puede concluirse que las fuerzas obtenidas por simulaciones que consideran el comportamiento hiperelástico de los ligamentos cruzados, son muy próximas a aquellas fuerzas obtenidas en simulaciones que consideran los ligamentos cruzados como cuerpos rígidos. También se puede observar que los resultados simulados son bastante similares a los resultados experimentales, lo que es relevante considerando que el modelaje propuesto es simplificado.
The rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) is the most common injury of the human knee. [A1] When surgery is required, it is helpful for orthopedic surgeons to scientifically define the best position for the graft, which approximates the functionality of an intact ACL. To accomplish that, it is crucial to estimate the force acting on the ligament (or graft) in response to an external load applied to the knee. This force is called the in-situ force. The objective of this research is to evidence the relevance of the hyperelastic behavior of cruciate ligaments in the two-dimensional modeling of the knee. To achieve this, a sequential method of modeling is proposed based on the theory of mechanisms and Davies' method. In a first approach the cruciate ligaments are treated as rigid bodies, and in a second approach, as hyperelastic bodies. These two approaches are then compared. The model provides information to assist the preoperative planning, by simulation of the ACL positions and in-situ forces. The proposed methodology consists of four steps and an experimental procedure performed by a robotic manipulator to obtain the in-situ forces. Experimental in-situ forces are used to validate the proposed model. Besides helping the preoperative planning, the model allows verifying two relevant biomechanical hypotheses: 1. During the simulation of the ACL in-situ force, the modeling of the cruciate ligaments as rigid links shows similar results to the modeling, which considers the hyperelastic behavior (more complex). 2. The ACL in-situ force can be well approximated when the knee is modeled as a two-dimensional four bar mechanism. Based on the results it can be concluded that the forces obtained by simulations that consider the hyperelastic behavior of the cruciate ligaments are close to the forces obtained by simulations that consider the cruciate ligaments as rigid bodies. It can also be noted that the simulated results are quite similar to the experimental results, which is important considering that the proposed model is simplified.