8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

BIOMODELACIÓN PARAMETRIZADA COMO SOLUCIÓN A LOS PROBLEMAS DE FRACTURAS ATÍPICAS Y MALFORMACIONES ÓSEAS EN CADERA.

Adrián Romero, I.*, Álvarez Miranda, G. D. **, Guevara Galindo, O. ***

* Instituto Politécnico Nacional, ESIME – Azcapotzalco, Av. de las Granjas No. 682, Col. Sta. Catarina, Delegación

Azcapotzalco, México D.F. Tel. (52 55) 57 29 60 00 ext. 64513, e-mail: iadrian@ipn.mx,

** Universidad Autónoma Metropolitana, Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, C.P. 02200, México, D.F. Tel. (52 55) 53 18 90 66

*** Instituto Politécnico Nacional, ESIME – Azcapotzalco, Av. de las Granjas No. 682, Col. Sta. Catarina, Delegación Azcapotzalco, México D.F. Tel. (52 55) 57 29 60 00 ext. 64504

RESUMEN Considerando que el ser humano es irrepetible y que debe ser tratado de forma individual, establecemos que la biomodelación parametrizable es la solución para problemas de malformaciones congénitas o fracturas atípicas debido a que este tipo de modelación permite proponer soluciones personalizadas para problemas óseos a tratar. Los implantes estándar no ofrecen una solución adecuada, pues siempre dependen de que parcialmente el hueso esté en buenas condiciones para poder ser alojadas dentro de este último. No perder de vista que la efectividad de un implante depende de su adaptabilidad ante las formas óseas del paciente; por ello es necesario conocer éstas últimas previamente con el fin de diseñar un implante a la medida. Este trabajo propone mejorar las condiciones del elemento óseo afectado sin descuidar la funcionalidad al ser sustituido parcial o totalmente considerando las características óseas del paciente. El sistema a analizar es el de la cadera-fémur después de que la cadera es la que presenta el problema de malformación e impide que el fémur funcione adecuadamente. La fabricación del implante adecuado se propone por medio de un sistema CAM (Computer Aided Manufacturing). PALABRAS CLAVE: Malformación, Cadera, CAM, biomodelación

INTRODUCCIÓN

El inicio del nuevo milenio nos debe impulsar a los seres humanos a recapacitar sobre lo que se ha hecho, cómo se ha hecho, y en especial, qué hacer para mejorar lo hecho por una sociedad científica. La tecnología de punta en metalurgia, en informática y en computación ha dado apoyo a la medicina en el campo de la investigación, del diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades. Y esto, de alguna manera ha permitido prolongar la vida del ser humano preparándolo para los próximos años. La supervivencia neonatal es alta y la mortalidad senil, aunque significativa aún, se está presentando en etapas más longevas de la vida, y es precisamente en este punto donde se ha abierto una brecha importante entre vivir con una buena calidad de vida y la muerte [1]. Si bien, el bienestar biopsicosocial que se busca conseguir en todo el planeta con el comienzo del nuevo siglo, constituye un reto para los hombres que se ocupan de ello, es aún más ambicioso alcanzar este objetivo en las personas de edad avanzada, ya que dentro de la Ortopedia, sólo la fractura de cadera está creciendo en forma exponencial en este tipo de personas y se está convirtiendo en un desafío. Las personas que llegan a fracturarse un hueso requieren a veces de un implante interno (prótesis) que les ayude a recobrar en un cierto porcentaje los movimientos normales en un periodo de tiempo corto, sin embargo, hoy en día el paciente que requiere un implante debe recurrir a implantes estandarizados, esto es, de uno o algunos tamaños, por lo que el paciente posteriormente no puede desarrollar movimientos en forma normal o los realiza con ciertas limitaciones y como consecuencia alarga su periodo de recuperación [2]. Así se detecta una necesidad de tipo social que consiste en proponer y desarrollar el biomodelado de prótesis personalizadas de aplicación médica que ayuden a que las personas afectadas realicen sus movimientos lo más aproximado a la normalidad en un periodo de recuperación bastante corto [3]. El biomodelado se debe realizar en diferentes etapas, desde el modelado de la prótesis en un sistema CAD (Computer Aided Design), hasta la preparación del herramental para fabricar la prótesis. En todas las etapas que se presenten se utilizarán tecnologías asistidas por computadora, como son: el CAD, el CAE (Computer Aided Engineering), la esterolitografía, el CAM y el CNC (Computerized Numerical Control) [4-6]. La efectividad del mecanismo de un implante debe depender de la adaptabilidad con que el implante se ajuste a las formas óseas del paciente; por ello es necesario conocer con precisión la forma ósea del paciente, previamente, con el fin de diseñar un implante a la medida de las necesidades del mismo, y esto, lo permiten sin mayor problema, las tecnologías asistidas por computadora. Con el desarrollo constante de las herramientas computacionales de modelación se tiene la posibilidad de llevar a cabo la transición del modelado 2D al modelado 3D, permitiendo que la reconstrucción de objetos tridimensionales sea un área en constante avance abriendo nuevos campos en la investigación. Con esta "evolución 3D" se crea la necesidad de reconstruir en tres dimensiones los objetos de la realidad, que se pretendan estudiar, a partir de datos bidimensionales.

PROCEDIMIENTO

Un equipo de Tomografía Axial Computada (TAC, de ahora en adelante), recorre el cuerpo humano generando cortes axiales con gran precisión y obteniendo una imagen de cada corte realizado, dando como consecuencia la posibilidad de reconstruir volumétricamente un órgano determinado a partir de una sucesión de cortes. Si bien los tomógrafos modernos disponen de software para reconstruir en 3D los órganos en sus consolas, esta información se puede recuperar con el fin de tener, probablemente, una vista 3D del órgano en cuestión, pero esta información sería en forma electrónica y seguramente puede ser reconocida por algún sistema de CAD y posteriormente, planear el diseño, el análisis y la fabricación de un implante médico al paciente que lo requiera, con un costo y un tiempo de entrega razonables. Dado que la información volumétrica completa esta guardada en el equipo TAC, el problema está en la recuperación de la información y llevar esta información hasta un producto manufacturable. La propuesta es, entonces, innovar en la forma de diseñar y manufacturar implantes que le permitan al médico tener la posibilidad de reducir el tiempo de recuperación de las personas que sufran malformaciones congénitas o accidentes graves que provoquen una fractura atípica, en base al empleo de las tecnologías asistidas por computadora para la creación del implante en el menor tiempo posible. La situación actual de los médicos consiste en recibir una o varias placas e interpretarlas, y aunque quizás cuente con una vista en 3D del órgano en cuestión, no le permiten interactuar con la información, ni modificar su punto de vista referente a la forma de operar al paciente [7]. A continuación se expone el procedimiento que dio origen al presente trabajo para la creación de un implante y solucionar una fractura atípica en la zona de la cadera, cuidando siempre la personalización.

Visualización

La visualización ayuda a efectuar un primer análisis de las dificultades anatómicas que presentan los pacientes: fractura atípica del hueso de la cadera y en ocasiones caderas luxadas. Esta información se obtiene por medio de equipos de imagenología con que cuentan los hospitales (Rayos X, TAC, Resonancia Magnética) [8]. La imagen presentada en la figura 1 muestra una radiografía escaneada que permite ver las zonas óseas de un paciente. Como podemos ver un ser humano no es simétrico en su estructura ósea y por tanto no se puede establecer una misma estrategia de implantación de prótesis, aquí es en donde toma relevancia la personalización del presente trabajo, pues al tener la información exacta del paciente se puede proponer un implante único que incluso no existe de manera comercial y como consecuencia su fabricación debe ser más cuidadosa.

Figura 1. Visualización del área de estudio

En la figura 2 se muestran imágenes de cortes transversales sucesivos del mismo paciente, obtenidos de un TAC, con una distancia de 3 mm entre una imagen y otra. La cantidad de imágenes generadas para este trabajo fueron de 80, con la intención de abarcar la zona de la cadera del paciente, y posteriormente buscar la reconstrucción de la zona mencionada.

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Figura 2. Colección de imágenes recuperadas del tomógrafo.

Reconstrucción

La reconstrucción se realizó exportando las imágenes del equipo TAC a un formato gráfico BMP. Las imágenes tuvieron que ser retocadas para dar una mayor definición a zonas de interés, estas deben ser del mismo tamaño buscando la coincidencia de las zonas que se desean estudiar. Después de preparar las imágenes se importan en un sistema de CAD que permita visualizarlas para iniciar el proceso de vectorización para cada imagen, lo cual nos lleva a obtener composiciones geométricas cerradas y separadas según la distancia marcada en el TAC, en este caso de 3 mm. La figura 3 muestra la reconstrucción tridimensional exacta de las 80 imágenes que se trabajaron. Esta reconstrucción está hecha con superficies. El modelado en superficies nos permite obtener modelos huecos y no se pueden asignar propiedades a cada geometría cerrada.

Figura 3. Reconstrucción inicial de la zona afectada.

Figura 4. Fractura presente en el hueso de cadera.

En la figura 4 sólo se ve la parte superior del hueso de la cadera derecha en su posición original, y es claro que existe una fractura atípica o malformación que provoca un malestar al paciente que la sufre. Con la información creada de la vectorización y del modelado en superficies es suficiente para generar el modelo sólido de la parte superior de la cadera derecha que sería el ideal a tener en la zona afectada del paciente, como se puede ver en la figura 5. Este tipo de modelo se puede seguir generando en el mismo sistema de CAD y no entrar en el campo de la transferencia de información entre distintos sistemas de CAD. Al modelo sólido del hueso a estudiar ya se le puede asignar propiedades de material.

Al tener el sólido requerido existe la posibilidad de realizar las pruebas de comportamiento con análisis de esfuerzos y desplazamientos.

Figura 5. Reconstrucción del hueso sin fractura. A la par se inicia el modelado del implante a diseñar para dar solución al problema específico del paciente. En este paso se ejecuta la parametrización del implante. Parametrización

Al tener la definición del implante, en conjunto con un médico para el paciente, se empiezan a realizar los ajustes del implante, para dar la mejor adaptación a la estructura ósea del paciente. La figura 6 representa un par de visualizaciones que muestran la forma que adquiere el implante final y que es considerado en la eliminación de la fractura. El implante original es susceptible de ser deformado hasta mejorar la adaptación entre el implante y el hueso de la cadera. La parametrización es una característica normal en los sistemas CAD de la actualidad.

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Figura 6. Forma del implante personalizado.

La forma final del implante se muestra en la figura 7 dando paso a su preparación para la fabricación en un material biocompatible con el paciente.

Figura 7. Forma final del implante para fabricación.

Manufactura

En la manufactura se utiliza software especializado de CAM para generar las trayectorias de maquinado adecuadas, cuidando las características del material en donde se maquinan las cavidades con la forma del implante elegido. Se generan cavidades para poder obtener el implante por fundición de un material biocompatible como el titanio. La figura 8 muestra la preparación de la cavidad dentro del ambiente del sistema CAM. Esta geometría fue trabajada en superficies después de importarla como archivo IGS del sistema CAD utilizado.

Figura 8. Visualización del implante en superficies. Con la definición de la geometría se generan dos trayectorias: la de desbaste y la de acabado. La figura 9 muestra ambas trayectorias. Las trayectorias se pueden ir ajustando hasta obtener el terminado superficial que se requiere en la cavidad, y obtener una buena pieza de fundición. El tiempo estimado para poder maquinar la geometría tratada es de aproximadamente 2 horas y 12 minutos. La figura 10 muestra la fase final de la operación de desbaste.

Figura 9. Comprobación del ensamble hueso-implante. Trayectorias de maquinado propuestas.

Figura 10. Resultado del desbaste

La figura 11 muestra la fase final de la operación de acabado.

Figura 11. Cavidad terminada para el implante propuesto.

RESULTADOS

Después de cubrir uno de los ciclos básicos del proceso de diseño para la optimización de la prótesis se comprobará si el modelo propuesto ayudará a solucionar la fractura sufrida en la parte superior del hueso de la cadera derecha. Para ello se buscará colocar el implante sobre la geometría reconstruida de la parte del hueso afectado. Así podemos verificar la posición que deberá adoptar el implante después de haberse realizado, como se ve en las figuras 12 y 13. Esto permitirá a los médicos ortopedistas planear la operación que se deberá realizar y lograr una mejor recuperación del paciente.

Figura 12. Inserción del implante en el modelo reconstruido.

Figura 13. Comprobación del ensamble hueso-implante.

CONCLUSIONES

La efectividad del mecanismo de un implante debe depender de la adaptabilidad con que el implante se ajuste a las formas óseas del paciente, por lo que es necesario conocer la forma ósea del paciente, previamente, con el fin de diseñar un implante personalizado.

Actualmente se han presentado un gran número de tipos de fractura, lo que aunado al bajo poder adquisitivo de la generalidad de la población mexicana, se vuelve imposible la aplicación de sistemas de importación. Esta situación invita a que médicos e ingenieros trabajen de manera conjunta con el fin de mejorar un sistema de implantes que permitan que las personas necesitadas de este tipo de prótesis puedan adquirirlos.

La personalización del implante de la cadera ayudará a corregir el problema de fractura que provoca marcado dolor.

Este procedimiento se puede extrapolar a reconstrucciones craneofaciales que deben realizarse después de un fuerte impacto en la cabeza, males congénitos, tumores, etc. En general a reconstrucciones óseas.

REFERENCIAS

1. F. Gómez, Aspectos demográficos, socioeconómicos y epidemiológicos de las fracturas en el anciano. Revista Mexicana de Ortopedia y Traumatología. Volumen 4(2). 1990. Página 55.

2. J. Aviña Valencia y J. Azpiazu Lee, El viejo… y la fractura de cadera. Revista Mexicana de Ortopedia y Traumatología, Volumen 14(6). 2000. Pp. 478 - 483.

3. H. Schild y M. Heller, Osteoporosis. Versión española de la obra original en lengua alemana. 1993. Ed. Masson. Madrid. 237.

4. J.E. Bechtold, “Application of computer graphics in the design of custom orthopedic implants”. The Orthopaedic Clinics of North America, Vol. 17(4), 1986. 605.

5. M. Brncick, “Computer automated design and computer automated manufacture”. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America, Vol. 11(3), 2000, 701.

6. J.C. Goh, N.C. Ho y K. Bose, “Principles and applications of Computer-Aided Design and Computer-Aided Manufacturing (CAD/CAM) technology in orthopaedics”. Annals of the Academy of Medicine, Singapore, 19(5), 1990. 706.

7. H.P. Chandler, “The planning of orthopaedic reconstructive surgery using computer-aided simulation and design”. Computerized Medical Imaging and Graphics, 12(1), 1988, 33-45.

8. J.C. Carr, W.R. Fright y R.K. Beatson, “Surface interpolation with radial basis functions for medical imaging”. IEEE Transactions on Medical Imaging, 16(1), 1997. 96-107.