[en] This dissertation deals with the modeling and simulation of orthopaedic surgeries with the help of computational biomechanical techniques. These orthopaedic conditions are characterized by their geometry and mechanical interactions and need to be translated properly to a virtual environment. Besides engineering simulations such as stress and strain calculations, pre-surgery planning, development of patient-specific treatments and innovation on new surgical trends are some of the benefits that may result from the development of accurate and reliable orthopaedic in-silico models. To provide detailed digital models for the different fields of application, a strong collaboration with surgeons experts on the field has been considered. New knee orthopaedics surgical opportunities have appeared in the last decades oriented to minimizing the effect of diseases like \acrfull{koa}, such as proximal fibular osteotomy (PFO) and computational modeling might help to investigate their biomechanics in-silico. This work focus on the systematic development of in-silico PFO models that can be later on used to create proper and reliable virtual representations of patient-specific surgical treatment response. A major challenge for correctly representing anatomical models for virtual environments is developing a consistent data acquisition methodology and model reconstruction methods. By using \acrfull{fem}, generating accurate mechanical models of orthopaedic systems for a specific condition may provide a reliable baseline for all future virtual modeling approaches. Therefore, numerical simulations have been formulated based on real-world clinical case scenarios provided by our medical collaborators and partners. Mechanical models have be hence not only virtually investigated, but a comparison with respect to patient-specific treatments has been made. The biomechanical response of human joints, with particular interest on the knee, before and after surgical interventions has been herein investigated. These surgical interventions were pre-planned to provide the healthcare needed to the patients without this research work affecting any required medical care. The novel contribution of this investigation is the quantitative analysis of the impact of PFO on the biomechanics of the knee joint. The results provide mechanical evidence that PFO can effectively redistribute and homogenize joint stresses, while also repositioning the \acrfull{cop} towards the center of the knee, similar to what is observed post \acrfull{hto}. The findings propose PFO as a potentially viable and simpler alternative to conventional surgical methods for managing severe KOA, specifically in patients with medial compartment genu-varum. Furthermore, the computational techniques implemented will be optimized to produce the best possible results in the most efficient way. This research also marks the first application of FEMs that may support one of the underlying biomechanical theories of PFO, providing a foundation for future clinical and in-silico studies.

[es] Esta tesis aborda el modelado y la simulación de cirugías ortopédicas con la ayuda de técnicas biomecánicas computacionales. Estas afecciones ortopédicas se caracterizan por su geometría y sus interacciones mecánicas y deben trasladarse adecuadamente a un entorno virtual. Además de las simulaciones de ingeniería, como los cálculos de tensiones y deformaciones, la planificación preoperatoria, el desarrollo de tratamientos específicos para cada paciente y la innovación en nuevas tendencias quirúrgicas son algunos de los beneficios que pueden derivarse del desarrollo de modelos ortopédicos in-silico precisos y fiables. Con el fin de proporcionar modelos digitales detallados para los distintos campos de aplicación, se ha planteado una estrecha colaboración con cirujanos expertos en la materia. En las últimas décadas han aparecido nuevas oportunidades quirúrgicas ortopédicas de rodilla orientadas a minimizar el efecto de enfermedades como la osteoartritis de rodilla (KOA), como la osteotomía fibular proximal (PFO), y el modelado computacional podría ayudar a investigar su biomecánica in-silico. Esta tesis se centra en el desarrollo sistemático de modelos in-silico que puedan utilizarse posteriormente para crear representaciones virtuales adecuadas y fiables de la respuesta al tratamiento quirúrgico específico para cada paciente. Uno de los principales retos a la hora de representar correctamente modelos anatómicos para entornos virtuales es el desarrollo de una metodología coherente de adquisición de datos y métodos de reconstrucción de modelos. Mediante el uso de análisis de elementos finitos, la generación de modelos mecánicos precisos de sistemas ortopédicos para una condición específica puede proporcionar una línea de base fiable para todos los futuros enfoques de modelado virtual. Por lo tanto, se han formulado simulaciones numéricas basadas en escenarios de casos clínicos reales proporcionados por nuestros colaboradores del sector médico. De este modo, los modelos mecánicos no sólo se han validado virtualmente, sino que se ha realizado una comparación con respecto a tratamientos específicos de pacientes. Se ha investigado la respuesta biomecánica de las articulaciones humanas, con especial interés en la rodilla, antes y después de las intervenciones quirúrgicas. Estas intervenciones quirúrgicas se planificaron previamente para proporcionar la asistencia sanitaria necesaria a los pacientes sin que este trabajo de investigación afectara a la atención médica requerida. La aportación novedosa de esta investigación es el análisis cuantitativo del impacto de PFO en la biomecánica de la articulación de la rodilla. Los resultados aportan pruebas mecánicas de que la PFO puede redistribuir y homogeneizar eficazmente las tensiones articulares, al tiempo que reposiciona el centro de presiones (CoP) hacia el centro de la rodilla, de forma similar a lo que se observa tras la osteotomía tibial alta en cuña abierta (HTO). Los hallazgos proponen la PFO como una alternativa potencialmente viable y más sencilla a los métodos quirúrgicos convencionales para tratar la KOA, específicamente en pacientes con genu-varum del compartimento medial. Además, las técnicas computacionales implementadas se optimizarán para producir los mejores resultados posibles de la forma más eficiente. Esta investigación también marca la primera aplicación de FEM que puede soportar una de las teorías biomecánicas subyacentes de la PFO, proporcionando una base para futuros estudios clínicos e in-silico.