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Capítulo II
Ingeniería Inversa
2.1.Introducción
En la continua búsqueda de nuevos caminos de solución, los ingenieros, echan
mano de su natural habilidad para encontrar el principio general, adaptarlo a las
condiciones actuales y finalmente aplicarlo. En la Biomecánica, el ingeniero normal hace
uso en forma constante de este simple proceso de búsqueda-adaptación-aplicación para
usar la ingeniería en el cuerpo humano.
De experiencias como la del “hueso cadavérico” se aprende mucho1. La
personalidad metódica del ingeniero lo impulsa a ordenar los sucesos e intentar configurar
el procedimiento completo. La idea de desmenuzar el hueso en rodajas, extraer la
información de cada rodaja y luego unirlas de nuevo no era una idea deficiente, el único
detalle eran los medios, es decir la tecnología disponible. En todo caso, ya se percibía la
existencia de un procedimiento con un determinado orden de procesos.
Y es que la tecnología es un parámetro importante en el éxito del método. Es decir,
con la tecnología adecuada, la viabilidad de una metodología y los excelentes resultados
que provienen de su aplicabilidad son una realidad. Entonces, la aplicación también juega
un rol primordial, pues es la exigencia (el problema a resolver) que se le da al ingeniero
para que empiece a pensar, es la motivación para llegar a la metodología.
La Ingeniería Inversa convoca todas estas reflexiones en este trabajo, porque a
pesar de no ser una metodología nueva, la aplicabilidad o la formalización de su aplicación
en la Biomecánica es un tema innovador en nuestro medio y serán descritas en los
siguientes capítulos. Conocida la metodología o técnica de la ingeniería inversa en la línea
de investigación de este trabajo, sólo queda por explicar la aplicación real y comprobar la
efectividad del procedimiento.
1 Trabajo de investigación realizado en el Centro de Diseño, Universidad de Piura
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2.2.Definiciones
2.2.1. Definiciones Generales
La ingeniería inversa comenzó a principios de la década pasada como una
tecnología basada en la búsqueda de las características detalladas de un elemento o
producto terminado utilizando un método de análisis regresivo; es decir pasando del todo a
cada una de las partes, todo esto sin la ayuda de algún plano original de dicho producto. Se
busca por lo tanto los secretos que guardan las cosas para su construcción. [29]
A esta búsqueda de características le sigue la transformación en un nuevo producto
con las mismas o mejores características que el original. Sin embargo, no es sólo el hecho
de llegar a construir este nuevo elemento lo más importante, sino que la Ingeniería Inversa
incluye todas las tareas de reconocimiento y análisis del funcionamiento de cada una de las
piezas que conforman el todo original.
Figura 2. 1 La Ingeniería Inversa actual usa lo último en tecnología como este escáner laser de la empresa FORT.
Muchos científicos han dado ciertas definiciones sobre la concepción de la
Ingeniería Inversa (I.I), las cuales tienen en común la idea del análisis del sistema u objeto.
Es decir la metodología de I.I no sólo producirá un resultado final, la pieza hecha, sino que
además ofrece ventajas adicionales que viene hacer efectos colaterales de la aplicación del
método.
Se enumeran algunas definiciones para tener la idea más clara:
Se conoce como Ingeniería Inversa o Reverse Engineering al proceso de duplicar
una pieza, componente o conjunto, sin la ayuda de planos, documentación o modelos
auxiliares. Se parte siempre de un modelo físico y se usan métodos de ingeniería de
medida, análisis, diseño y Adquisición de datos para finalmente obtener una réplica
idéntica o mejorada del objeto. (Thomson, 1999).
El proceso de analizar el código, documentación y comportamiento de un sistema,
para identificar sus componentes actuales y sus dependencias para extraer y crear una
abstracción del sistema e información de diseño. El sistema en estudio no es alterado, sino
que se produce conocimiento adicional acerca del sistema. (SEI, 2004).
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2.2.2. Definición específica
La Ingeniería Inversa en Bioingeniería es la metodología que se encarga de la
construcción virtual de órganos o elementos biológicos. Esta construcción también usa un
método regresivo, el cual a partir del órgano vivo se procede a “dividirlo”, para luego, a lo
largo de una serie de procesos llegar a formar el órgano completo en formato digital.
Figura 2. 2 La Ingeniería Inversa dentro del contexto de la Biomecánica se usa para la construcción virtual de los órganos
humanos.
Entonces la Ingeniería Inversa que usaremos es una técnica regresiva para la
reconstrucción de los órganos biológicos en el computador. El objetivo principal es
conocer y analizar las formas, propiedades mecánicas, fenomenología biológica, estado
patológico, etc. de estos sistemas biológicos.
Figura 2. 3 Hay que imaginar las posibilidades que tendría la ciencia al estudiar los ´órganos virtuales siempre y cuando
estos tengan toda la información necesaria recopilada con la I.I.
En el campo de la bioingeniería, la I.I intenta recuperar el diseño original y natural
de los elementos biológicos a través del análisis regresivo “todo a partes”, pues lo óptimo
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sería reconstruir el hueso para obtener un hueso virtual con las mismas características
físicas, biológicas, mecánicas y geométricas al original.
2.3.Historia y evolución de las técnicas de ingeniería inversa [27]
A lo largo de la historia la técnica de la ingeniería inversa ha estado presente en los
seres humanos y en el acto común de pensar. El tema de descubrir los secretos que guardan
todas las cosas ha sido una preocupación constante en la humanidad. El concepto casi
filosófico que envuelve a la I.I puede generalizarse a toda la ciencia humana, que podría
ser considerada un enorme proyecto de Ingeniería Inversa que busca determinar las
características del diseño del universo, es decir las leyes naturales que lo rigen.
Un caso particular de este punto de vista lo tiene Daniel Dennett, un erudito
filósofo estadounidense, quien aplica la esencia de la I.I a la biología diciendo que es un
esfuerzo concertado por encontrar el diseño de los organismos a partir de la observación de
su anatomía y fisiología, es decir, de su estructura y comportamiento. (Dennett, 1995).
Figura 2. 4 El filósofo Daniel Dennett (izquierda) hace notar como la Ingeniería Inversa es un concepto de aplicación
general, pues los científicos siempre intentan encontrar las características de diseño de los órganos humanos.
Dennett hace esta analogía, asumiendo que la evolución biológica es un proceso de
investigación y desarrollo equivalente al que se da en la industria ingenieril en general. La
diferencia estriba en que no existen diseñadores conscientes, pues la evolución biológica
dirige la producción de organismos mediante un algoritmo automático denominado
“selección natural”.
La copia de productos es inicialmente una forma de beneficiar a muchos de la
misma creación. La fabricación en serie de los productos parte de un modelo único y esta
constante ejecución del procedimiento ha dado inicio a lo que hoy se ha denominado
Ingeniería Inversa. Sin embargo, la copia de objetos en 3D aún no había sido posible.
Hace 30 años aparecieron las primeras máquinas copiadoras las cuales tenían dos
cabezales, uno de ellos con un palpador que recorría las secciones de la pieza maestra, y el
otro que tenía un cabezal de fresado seguía la geometría que iba describiendo el palpador y
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copiaba la pieza sobre un bloque de material. Para ser estrictos se trataba de unos
pantógrafos adaptados al proceso de mecanizado.
Figura 2. 5 La copiadora fresadora de hace 3 décadas es el antepasado de los escáneres actuales que copian la geometría
de las piezas para reproducirlas, sin embargo esto no es I.I, está incompleta.
Pasaron los años, y en las últimas dos décadas se han dado pasos importantes en la
tecnología ingenieril. Se ha logrado separar las fases de digitalización (que se hacía con el
palpador) con la del mecanizado usando algoritmos de control numérico. Con el avance
del control industrial se ha logrado la automatización de la mayoría de los procesos en
ingeniería. El proceso de digitalización no ha sido la excepción y si antes se hacía
manualmente ahora ya existen software especializados en la digitalización o por otro lado
existe la misma I.I encargada de llevar este proceso a cabo.
El desarrollo de las modernas tecnologías de diseño y construcción, es decir las
tecnologías CAD/CAM, han cambiado las necesidades de los ingenieros. Antes sólo eran
objetivos simples como la obtención de copias sencillas pero ahora son necesarias
herramientas y procedimientos de ingeniería inversa.
A diferencia del copiado que va en una sola dirección, es decir se generan los
modelos para luego construirlo con alguno de los métodos de manufactura; la I.I captura
digitalmente los datos de la morfología de la pieza y los exporta a un sistema
CAD/CAE/CAM en donde podrán ser corregidos, mejorados, mecanizados, etc;
generándose múltiple caminos para tratar la pieza.
2.4.Objetivos
El horizonte hacia donde se camina es claro si se plantean objetivos concretos. El
desarrollo del tema de la ingeniería inversa en esta tesis se enrumba sobre una aplicación o
proyecto específico: la reconstrucción de un órgano y en forma aún más específica, la
reconstrucción del sistema fémur-cadera de una paciente.
La metodología o técnica de la Ingeniería Inversa en esta tesis tiene unos objetivos
claros enlistados a continuación:
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− Evaluar el estado clínico del órgano o elemento biológico.
− Entender el funcionamiento del elemento biológico.
− Extraer todos los datos posibles del órgano.
− Mejorar la performance del órgano basándose en la comparación con modelos estándar
del órgano, para de esta forma corregir las fallas e implementar las soluciones.
− Diseñar elementos artificiales que ayuden a mejorar deficiencias.
Figura 2. 6 Uno de los objetivos que se persigue en este trabajo es encontrar una metodología para obtener modelos
exactos de los órganos con el fin de simular funcionamientos para mejorar falencias.
2.5.Ventajas [28]
Cuándo evaluamos las técnicas actuales de reconstrucción de órganos podemos
observar que la mayoría (por no decir todas) tienen su principio en la aplicación de la
ingeniería inversa, es decir, toman del hueso completo (in vivo o in vitro) los datos para
construir el órgano virtual. La técnica de la ingeniería inversa tiene la ventaja de adaptarse
muy bien a la aplicación biomecánica, pues es la única forma de reconstruir un órgano ya
que este no puede ser construido a partir de planos.
Figura 2. 7 A diferencia de las piezas mecánicas, los órganos no pueden ser reproducidos mediante planos, con formas y
medidas exactas.
Sin embargo la ingeniería inversa como técnica general, aplicada en la mayoría de
campos de la tecnología tiene ventajas sobre otras metodologías de diseño. Algunas de
estas ventajas también encajan en la aplicación biomecánica del trabajo y permite entender
cómo la ingeniería inversa formaliza todos aquellos objetivos que se requieren alcanzar.
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La I.I permite mayor precisión en la toma de datos, dimensiones, tolerancias, etc.
Debido a que la plataforma de desarrollo de la metodología es la informática, la precisión
aumenta con la elaboración y aplicación de algoritmos complejos de cálculo, los cuales a
este tiempo tienen una enorme efectividad.
La ventaja anterior origina una más, el ahorro del tiempo. La I.I aplicada a este
trabajo está completamente automatizada, por lo tanto la mayoría de procesos internos
como la toma de datos, la segmentación, la conversión de formatos, etc., son ejecutados
con mayor velocidad gracias a los algoritmos dentro de los software usados. El ahorro de
tiempo aumenta la aplicabilidad, eficiencia, ahorro de esfuerzo y sobre todo el ahorro
económico del proyecto.
Figura 2. 8 Algunos procesos de I.I como la segmentación están automatizadas dentro de software especializados.
En otras palabras, el proceso de fabricación del producto final, para este caso la
prótesis de cadera, disminuye y con esto el mercado se favorece con la rapidez de llegada,
es decir, el paciente no tiene que esperar demasiado para obtener la prótesis que mejorará
su calidad de vida.
La automatización de la metodología no sólo acelera los procesos, sino que además
los mejora y entonces mejora los resultados. El factor calidad en el producto final (en este
caso el hueso virtual) se ve afectado en forma positiva al “correr” el procedimiento usando
las computadoras, pues los software utilizados cuentan con algoritmos de optimización que
permiten controlar diversos parámetros entre ellos la calidad y el gasto de energía.
Otra de las ventajas de utilizar la energía inversa es la fácil comparación que se
puede hacer entre el modelo CAD y uno real, en este caso, un hueso hecho por prototipado
rápido. Además si se tiene en cuenta que los datos iniciales de las operaciones son
adquiridas por imágenes biomédica que permiten hacer mediciones reales del hueso, se
puede comprobar las medidas finales del modelo virtual con las del hueso en las
tomografías.
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Figura 2. 9 A través del prototipado rápido se comprueba la precisión a escala real de los modelos virtuales obtenidos en
la reconstrucción de órganos por I.I.
Se puede inferir la enorme ventaja de la I.I usando herramientas informáticas, la
facilidad con la que los ingenieros pueden enlazar tecnología médica con tecnología CAD
y esta última con procesos CAM.
Por último, se tiene que la técnica de Ingeniería Inversa garantiza el control estricto
de las dimensiones, parámetros fundamentales en el éxito de la obtención de una prótesis
personalizada. Las dimensiones forman parte de los datos geométricos que ofrecen las
imágenes radiológicas, por lo tanto la manipulación de estas imágenes por los software
usados es lo suficientemente escrupulosa como para mantener márgenes muy pequeños de
error. Las dimensiones son debidamente controladas a lo largo del procedimiento.
2.6.Campos de Aplicación [29]
Como ya se había dicho líneas atrás, la I.I es una técnica muy difundida en las
ciencias y aplicada en muchos campos. En todas estas aplicaciones la metodología ha sido
claramente definida y formalizada para las circunstancias particulares en que ha sido
aplicada.
Figura 2. 10 Con los datos obtenidos a través de la aplicación de la técnica de I.I se logra implementar la
realidad virtual muy útil en la práctica médica, estas son las llamadas "cirugías virtuales".[56]
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La primera aplicación que se debe mencionar es la relacionada a esta tesis. La
medicina necesita de la metodología de la I.I para el desarrollo de diferentes tecnologías e
instrumental médico. Por esta razón en el área médica se ha logrado hacer implantes de
muchas partes del cuerpo con excelentes prestaciones; además de las conocidas
reconstrucciones de órganos, tema central en esta investigación. Con la I.I se ha
conseguido preparar a los médicos para sus operaciones haciéndolos practicar con realidad
virtual implementada a base de datos provenientes de los procesos iniciales de la I.I.
Un caso particular es el uso de prototipos fabricados con tecnología CAM que
permiten obtener fácilmente cualquier órgano sin gastar mucho dinero en materiales. Se
habla entonces del prototipado rápido que usa resinas para fabricar los diferentes órganos,
los cuales son obtenidos en el formato adecuado a través de un procedimiento de I.I.
Una aplicación muy útil es la metrología. La metrología (del griego µετρoν, medida
y λoγoς, tratado) es la ciencia de la medida. Tiene por objetivo el estudio de los sistemas de
medida en cualquier campo de la ciencia. La I.I ayuda a la recolección de aquellas piezas
que con instrumentos comunes como calibradores y micrómetros es muy complicada,
ineficiente y poco confiable su medición.
Otra aplicación muy usada en ingeniería es el rediseño de partes obsoletas, es decir,
cuando un elemento de una máquina ya cumple su ciclo de vida es posible volver a diseñar
el mismo elemento, mejorarlo o actualizarlo usando la I.I.
Es por lo tanto lógico pensar que si se puede rediseñar un elemento, la producción
de maquinaria no sería tarea difícil si se recolectan los datos necesarios y se hacen las
correcciones o avances requeridas.
El diseño por computador necesita de modelos en 3D. La I.I permite obtener dichos
modelos con todas las ventajas ya mencionadas. Es por eso que el modelado 3D y la
reconstrucción de partes en la ingeniería en general es una aplicación muy frecuente.
Figura 2. 11 Tener en la computadora los modelos reales de las piezas es muy útil dentro del proceso de manufactura en
ingeniería, en lo que se denomina análisis integral (CAE). [57]
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Entre algunas otras aplicaciones importantes podemos mencionar la I.I funciona
como “benchmarking”2. Por lo tanto una empresa puede saber la necesidad de lanzar un
producto, saber si su producto tiene mejor calidad que otro, saber si su diseño se convertirá
en un producto competente, etc.
Figura 2. 12 Algunas empresas se encargan de hacer Benchmarking a sus clientes comparando y haciendo análisis
técnicos de los productos que se encuetran el mercado, para eso utilizan la I.I en la recopilación de datos.
Cuando funciona como benchmarking la técnica de I.I evita un gasto innecesario de
inversión en investigación y desarrollo de productos, pues el procedimiento permite
conocer en detalle los productos de la competencia y así hacer una comparación de
referencia.
Además, cuando una empresa saca a la venta un producto fabricado usando la
tecnología e la I.I se puede utilizar dicha tecnología para hace el seguimiento en las fases
posteriores a la fabricación como el mantenimiento y la posventa.
En el área militar, con el fin de investigar y saber más acerca de la tecnología de
otras naciones, los ingenieros han aplicado sus conocimientos para que a través de la I.I se
conozcan los secretos guardados en las armas, software, maquinaria, etc., de otras
naciones.
Otras aplicaciones tenemos en el campo de la ergonomía. Aquí se personalizan las
ropas, los equipos, etc. Por otro lado, en la parte artística se reconstruyen monumentos y
otras obras de arte. No olvidemos finalmente que desafortunadamente la I.I se presta para
la utilización indebida por algunos especialistas en informática que se convierten en
“Hackers” o “crackeadores”, copiando software, creando virus, etc.
2.7.Aplicabilidad en la biomecánica
La ingeniería inversa ha sido la principal herramienta dentro de la obtención de los
propósitos de la bioingeniería y en especial de la biomecánica. A pesar que en muchos de
los trabajos desarrollados en este campo, la presencia de la metodología no ha sido
2 Benchmarking es el proceso continuo de medir productos, servicios y prácticas contra los competidores más
duros o aquellas compañías reconocidas como líderes en la industria. (David T. Kearns, director general de
Xerox Corporation).
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precisada en forma extrínseca, al final de todos se podía deducir que las técnicas aplicadas
en su gran mayoría podrían incluirse como parte de las técnicas de I.I.
Un ejemplo práctico puede mencionarse aquella experiencia de la UDEP en la
década pasada [18]. Al tener el hueso cadavérico, se tenía un “producto ya hecho”. El
objetivo era obtener la geometría del hueso. El camino fue simple, se cortó en rodajas el
hueso embutido en una resina y luego se digitalizaron los puntos de cada plano. Se
exportaron a un programa CAD y se reconstruyó el hueso. La idea fue buena, pero nunca
se habló de Ingeniería Inversa y por lo tanto no existió una guía para optimizar tal
procedimiento ni herramientas disponibles para conseguir el mismo objetivo.
Figura 2. 13 (Figura repetida). La experiencia del hueso cadavérico siguió los preceptos de la I.I sin embargo no se había
hecho la formalización debida como para ejecutar un protocolo definido que lleve a mejores resultados. [58]
Lo que se quiere decir a todo esto es que a pesar de que en muchas investigaciones
se ha usado múltiples formas para llegar a un cierto objetivo, nunca se había formalizado el
planteamiento como una técnica específica. La formalización de la Ingeniería Inversa
como metodología de investigación implica seguir una serie de pasos, usar unas
herramientas (software y/o hardware), tener unos objetivos, etc., con los cuales la
obtención de resultados será definitivamente otros y mejores.
Figura 2. 14 El uso de de una metodología definida obliga a usar un protocolo predeterminado que a su vez implica el uso
de ciertas herramientas en forma ordenada; es decir se sigue una guía.
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En Biomecánica las técnicas de I.I son usadas principalmente para la reconstrucción
de los elementos biológicos u órganos, para la mejora y producción de instrumental médico
como placas, órtesis, clavos intramedulares (del tipo estándar).
La aplicabilidad de la I.I en este campo es debido a la compatibilidad de
tecnologías, es decir, las técnicas I.I se acoplan muy bien a los dispositivos y metodologías
usadas en los procesos de manufactura hechos en biomecánica. Un ejemplo es el hecho de
que el mejor camino para adquirir la información del hueso era usar las imágenes
biomédicas con el tomógrafo y dado que el procedimiento de I.I (que “corre” sobre una
plataforma informática) incluye un software especializado en leer este formato (DICOM),
la ejecución de todos los pasos no tendrá mucha dificultad.
En conclusión, cuando se habla de aplicabilidad se quiere decir facilidad de
ejecución, adaptabilidad del procedimiento a las condiciones de trabajo, utilidad y
practicidad dadas las herramientas necesarias o las herramientas disponibles. La
aplicabilidad de la metodología de I.I es una realidad probada y comprobada en el mundo
actual y es la premisa que se tiene en el desarrollo de este trabajo de tesis.
2.8.Ingeniería convencional vs Ingeniería inversa
Cuando se hace una revisión al sentido en que la ingeniería maneja los procesos, se
puede asegurar que en líneas generales, el principio de las cosas está en la idea o concepto
para luego con un determinado proceso pasar a ser un producto.
a) Inicio: la idea
Cuando se habla de Ingeniería normal, se refiere al modo tradicional de operar que
tiene la ingeniería y en especial a la forma más antigua de manufacturar usando ingeniería.
El inicio de todo es la idea; la idea es el diseño conceptual del futuro producto.
En esta etapa se concibe la realización del producto después de haber analizado una
serie de criterios económicos (gastos y utilidades), tecnológicos (si se cuenta con los
dispositivos adecuados) u otros aspectos como la necesidad del producto en el mercado,
aplicaciones en la industria o simplemente la utilidad como solución a un determinado
problema.
La concepción del producto no es más que el resultado de un proceso intelectual
producido en el ingeniero motivado por la búsqueda de la solución a un problema
planteado. Esta idea ya plantea y hace un estimado de los diversos procesos a ejecutar, los
materiales y herramientas a usar, el tiempo de fabricación requerido, las utilidades y
aplicaciones, etc.
Cuando se ordenan las ideas el ingeniero está listo para plantearlas sobre papel o
sobre un software de diseño.
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Figura 2. 15 El ingeniero abstrae la solución del problema y da paso a las ideas, como en la figura donde se busca diseñar
u carburador para un nuevo diseño de motor ecológico.
b) El dibujo o diseño
El diseño de ingeniería puede describirse como el proceso de aplicar las diversas
técnicas, metodologías y principios científicos con objeto de definir un dispositivo, un
proceso o un sistema (encaminado a cubrir una cierta necesidad) con el suficiente detalle
para permitir su realización.
En esta fase el ingeniero tiene que plasmar su idea sobre planos o dibujarla en un
computador. La fase de diseño implica la conversión del diseño conceptual previo en un
diseño al detalle de la pieza a construir. Esto quiere decir que los dibujos se ejecutaran
manualmente sobre un plano usando los conocimientos y habilidades adquiridas en el
dibujo técnico o también los dibujos podrían ser ejecutados sobre un computador con
modelos virtuales (CAD) detallados en un sistema de diseño asistido.
Figura 2. 16 Las dos modalidades de esta fase, el conocido dibujo manual (izquierda) y los software de diseño
utilizados en la actualidad como el AUTOCAD (derecha).
Actualmente la tendencia es usar los software CAD para el diseño con mayor
precisión y rapidez. Los actuales sistemas CAD (Computer Aided Design) se han
convertido en verdaderas plataformas de trabajo, abarcando no sólo el diseño en ingeniería
sino la planificación empresarial y la validación. Industrias y universidades se ven
obligadas a absorber de manera rápida la tecnología, desembocando en los frutos de la
competitividad en el mundo globalizado y en el desarrollo integral de sus habitantes.
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Es así que en la fase de dibujo el objetivo es trazar líneas que llegaran a convertirse
en formas que traducen la idea del producto final que se desea conseguir. Al final de esta
etapa la geometría y propiedades de la pieza están completamente definidas, listas para los
procesos siguientes.
c) El análisis integral
Con el dibujo de la pieza completa se procede a simular su futura performance. El
análisis integral incluye la verificación de la funcionalidad de la pieza en un posible
entorno de trabajo, es decir se tiene que comprobar los problemas que podría presentar la
pieza, las posibles fallas mecánicas, la respuesta mecánica a un estado tensional definido,
deformaciones, su ciclo de vida y la calidad de prestaciones en el transcurso del tiempo,
posibles mejoras en el diseño, etc.
El desarrollo de esta fase es vital para el logro de los resultados deseados. Con esta
fase se podría ahorrar mucho dinero ya que evita la producción de elementos deficientes
que generarían las pérdidas y lo que es peor, una imagen de incompetencia en la empresa.
Como en la actualidad el proceso de análisis de la pieza dibujada o en diseño (antes
de fabricarla) es una práctica muy común sobre todo usando la informática. Así es, el
enorme desarrollo de las computadoras es otra vez una gran ayuda. Los software de
ingeniería CAE son los encargados de hacer que esta fase sea fundamental en la
producción es así que no hay algoritmo de fabricación de un producto que no contemple el
uso de los software CAE.
Figura 2. 17 La Universidad utiliza el análisis por FEM con el software Algor para el análisis de los modelos virtuales
que van a ser fabricados.
d) Proceso de Fabricación
La cadena de obtención de un producto culmina en la fase propia de la fabricación
del producto. Y es que después de haber culminado de establecer la geometría y las
propiedades que se requiere del futuro producto, además de verificar su correcta
funcionalidad y por lo tanto calidad; ahora se tiene la confianza para elaborarlo con un
determinado proceso de manufactura.
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En el proceso de fabricación toma diversos caminos según el modo usado: el
moldeo o fundición, el mecanizado, la forja, etc.
Sin embargo, definitivamente la automatización del proceso gracias a los software
CAM (Manufactura Asistida por Computador) ha facilitado la elaboración de productos y
es que al utilizar la tecnología CNC (Control Numérico por Computador) los datos
extraídos de los procesos previos son usados para “guiar” a las máquinas herramientas en
la ejecución del diseño.
Figura 2. 18 Las máquinas de control numérico aceleran los procesos de producción de piezas ahorrando costos y
aumentando la calidad de las piezas por el alto nivel de precisión que tienen.
Figura 2. 19 Diagrama de flujo del procedimiento convencional de la Ingeniería. Se puede observar como existe
la posibilidad de regresar a la fase de diseño si se encuentra algún problema de la pieza en la fase de análisis.
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En conclusión:
Al principio está la idea inicial del diseño, es decir la concepción o abstracción de
una intención por producir un elemento para una aplicación determinada.
Luego le sigue el dibujo o diseño en plano o por computadora de la idea mental o
del bosquejo inicial.
En tercer lugar viene la etapa de análisis, en la cual el diseño previo es estudiado
para comprobar una adecuada “performance”.
Por último, la idea inicial al fin es construida o fabricada.
La ingeniería inversa por definición hace las cosas al revés de lo convencional. Sin
embargo se tiene que decir que la diferencia entre la Ingeniería Convencional y la
Ingeniería Inversa radica sólo en lo que vendría a ser el Inicio y la etapa de Dibujo o
Diseño. Es decir, las etapas de Análisis y Manufactura final (CAE CAM respectivamente)
son las mismas en ambos enfoques.
En líneas generales los procesos tienen las siguientes partes:
a) Producto original
A diferencia de la técnica convencional, el ingeniero comienza a trabajar a partir de
un producto completamente desarrollado. Por lo tanto ya no se parte de una abstracción del
elemento pues ya es una realidad concreta. Sin embargo se mantienen los criterios de
elección, en este caso de la pieza ya hecha, pues de todas maneras deben de existir
argumentos para que el ingeniero elija una pieza determinada para trabajar.
El elemento elegido es un cúmulo de desconocidas ideas que se intentan develar. La
Ingeniería Inversa inicia sus actividades aquí, en forma análoga a la autopsia a un cadáver,
el ingeniero a través de la I.I intenta desentrañar las técnicas e ideas usadas para la
fabricación del elemento.
Figura 2. 20 En la mayoría de casos las industrias buscan mejorar sus propios productos u otros que están en el mercado.
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La naturaleza y propiedades del producto final (que es el punto de partida)
determinarán una metodología específica para su tratamiento, es decir del tipo de objeto a
analizar depende el perfil de la I.I a usar pues no es lo mismo empezar a trabajar con un
clavo intramedular que con un hueso humano, para cada caso se necesitarán herramientas
diferentes.
b) Adquisición de datos
En esta fase participan tres elementos: los datos, el método y/o técnica de entrada
de datos y por último el registro de los datos.
Dado que ya no es preciso formular un diseño nuevo desde el principio, esta fase
consiste más bien en sólo obtener todos los datos posibles del objeto. Aquí se habla del
elemento datos refiriéndose a la información sobre la geometría y propiedades físicas y
hasta químicas del ente de estudio. En este punto se tiene que recordar que se está
trabajando específicamente en el campo de la Ingeniería Mecánica y las cosas son
diferentes a que si se trabajara en la informática donde los datos son de distinta naturaleza.
Los medios para obtener esta información son diversos: escáneres 3D, instrumental
médico, digitalizadores, pruebas de laboratorio, etc; a todos estos se les llama técnicas y/o
dispositivos de entrada de datos. En la fase de Adquisición de datos el ingeniero tiene
que discriminar los datos necesarios para no perder el tiempo en almacenar datos que no
tengan importancia, teniendo en cuenta además las exigencias de memoria que demandaría
la información.
Por último se tiene que decir que la información que se consigue se puede
almacenar de diversas formas como por ejemplo directamente en archivos digitales si es
que provienen de un digitalizador hasta en placas especiales como en las tomografías
(aunque este modo casi no se usa pues las tomografías se almacenan en formato digital
DICOM). A la acción de almacenar se le llama registro.
Figura 2. 21 a) Producto original, b) Un escáner 3D, c) La información extraída usando el escáner en la pieza.
Esta información está en forma de una nube de puntos.
Por lo tanto, hay que precisar que la fase de Adquisición de datos empieza
sometiendo al ente de estudio a la técnica y/o dispositivo de entrada de datos hasta el
almacenamiento de la información en un registro de salida.
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c) Tratamiento de Información: Imágenes
Después de que la información se encuentra disponible en diversas formas el
ingeniero tiene que encontrar el medio adecuado para “manejar” dichos datos. Cuando se
habla de tratamiento de información se parte por definir a esta información en proceso
como archivos de imágenes, ya que tratamos específicamente con aplicaciones en
Ingeniería Biomédica, trabajando con elementos orgánicos.
El ingenio del ingeniero se hace patente en esta parte del trabajo, pues la
información disponible no siempre puede ser inmediatamente usada. En la mayoría de
casos, el ingeniero necesita adaptar las herramientas o inventarlas de tal forma que pueda
acoplar un puente entre cualquier contexto y la ingeniería convencional.
Figura 2. 22 La fase de tratamiento de la información es como una caja negra a la cuál le entra información en
un formato cualquiera para ser convertida a un formato que permita acoplar el proceso a una fase CAD/CAE/CAM.
Para que el párrafo anterior quede claro se tiene que mencionar que en este trabajo
la ingeniería se enfrenta a un problema de orígenes médicos. La fase de Adquisición de
datos se hace utilizando herramientas que no pertenecen a los dominios de la ingeniería
como un tomógrafo y por lo tanto es necesaria la ejecución de artificios que permitan hacer
compatibles las tecnologías, uno de estos artificios serían la invención de un software que
interactúe con el tomógrafo.
En resumen se puede definir a la fase de tratamiento de información como el
conjunto de estrategias de ingeniería que procesan la información para dejarla apta a ser
usada por herramientas propias de la ingeniería convencional (CAD/CAE/CAM).
d) Generación de superficie
El nombre de la fase es elocuente y entendible. En esta parte del trabajo el
ingeniero hace uso de los software adecuados para conseguir las superficies interiores y
exteriores del elemento original.
e) Generación de sólido
Cuando la envoltura, es decir la superficie, del elemento original se ha obtenido,
sólo falta hacer el “relleno”, es decir, el sólido. Esta es la fase final del procedimiento de la
Ingeniería Inversa, en la cual el ingeniero tendrá como resultado el objeto original en
forma virtual, completamente reconstruido y con el formato adecuado para su posterior
manipulación, en este caso el formato IGES.
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Después de esta etapa, se sigue la dirección convencional de la ingeniería, es decir,
después de obtener la geometría y propiedades completas del elemento en formato digital
se procede con las etapas de Análisis y Manufactura de acuerdo a lo establecido en la
Ingeniería Convencional.
Figura 2. 23 a) Superficie exterior de la cubierta de un alambre creada en el programa Maya3D. b) Sólido usado en un
análisis dinámico en SolidWorks
En conclusión:
La I.I tiene como punto de partida el objeto ya elaborado. Es en esta etapa del
Producto original que el ingeniero calcula y elabora su plan de acción para definir la
metodología y herramientas adecuadas para trabajar.
Después de esta etapa le sigue la Adquisición de datos en la cual se conseguirá la
información necesaria para reconstruir luego el elemento.
La tercera fase vendría a ser la fase del Tratamiento de la Información. Con los
datos en su naturaleza original no se puede trabajar usando el hardware y software propio
de la ingeniería convencional así que en esta etapa existe un proceso de adecuación de los
datos para que puedan ser trabajados.
La siguiente fase contempla la creación de la superficie del elemento original, es
decir de las fronteras interiores y exteriores que limitan el sólido.
Y es precisamente en la última fase de la I.I que el elemento original es
reconstruido completamente en forma de sólido, con lo cuál queda listo para lo que vendría
a ser las etapas de análisis y manufactura.
2.9.Metodología de la ingeniería inversa propuesta
Cuando se estudien los casos de de aplicación se hará notoria la necesidad de
seguir un patrón o un protocolo determinado a seguir para el correcto y eficaz
cumplimiento de los objetivos. Con esta intención, en esta parte del trabajo de tesis se
intentará recomendar una metodología formal de I.I que facilite el proceso de
reconstrucción de órganos.
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Figura 2. 24 Diagrama de flujo para la ingeniería inversa. Dentro de la caja azul se puede observar propiamente
la metodología de la I.I. Existe también la posibilidad de evitar el análisis integral y hacer por ejemplo directamente un
prototipado rápido.
Cada uno de los pasos, operaciones y procesos involucrados en esta metodología se
explicarán con más detalle en el siguiente capítulo. La creación de esta serie de pasos
pretende ser con fines de aplicación específica, siguiendo unos requisitos necesarios para
su viabilidad. Estos requisitos serán descritos en el próximo apartado.
Cuando se habla de aplicación específica se refiere a la aplicación exclusivamente
reservada a temas de biomecánica en donde los objetos de partida son órganos biológicos.
Cualquier otra aplicación consideraría el hecho de modificar algunos medios tecnológicos
o algunos de los procesos, sin embargo en síntesis será lo mismo.
La metodología propuesta consta de las mismas partes mencionadas en el apartado
anterior con algunas características definidas para esta aplicación:
a) Producto original: el hueso.
b) Adquisición de datos: tomografías en formato DICOM.
c) Tratamiento de Información: conversión de formatos a archivos IGES.
d) Generación de Superficie: se usa el software Rhinoceros.
e) Generación de Sólido: se usa el software Rhinoceros.
El diagrama de flujos correspondiente se muestra en la figura 2.25.
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Figura 2. 25 Metodología propuesta en la tesis para aplicación en biomecánica. Este vendría a ser un caso específico del
recuadro azul de la figura 2.23.
2.9.1. Ventajas y desventajas
La metodología propuesta tiene a su favor su enorme flexibilidad para incluir
mejoras según sea el caso de estudio. Su simplicidad permite ser entendida con facilidad y
es de fácil implementación en una plataforma exclusivamente informática.
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Una de sus grandes ventajas es que no requiere de gran tecnología para encontrar
resultados fiables. Sin embargo, mientras la tecnología a usar sea la más actualizada los
resultados serán mejores. Por lo tanto se puede implementar bajo las actuales condiciones
de infraestructura de esta parte del país.
Se tiene que aclarar que cuando se habla de economía en la implementación se tiene
que relacionar con la enorme capacidad de adaptación de la metodología, pues
dependiendo de los software y hardware usados, el costo de la aplicación aumenta y dado
que la metodología de la I.I propuesta es compatible con el uso de una extensa gama de
opciones tecnológicas, se podría acoplar diversos tipos de herramientas con la única
condición de que cumplan su función.
Los elementos indispensables son los dispositivos informáticos, es decir las
computadoras, algunos software y el dispositivo de entrada de datos tomógrafo, MRI u
otros.
Una ventaja también es la posibilidad que deja al usuario de acondicionar la técnica
para una aplicación fuera de las fronteras de la biomecánica, es decir se puede usar la
metodología de la I.I para usarse como una parte en la cadena de manufactura como la
fabricación de unos pernos que dada su antigüedad no se cuenta con los planos de diseño.
Esta ventaja se explicará en el último apartado del último capítulo.
El problema de esta técnica formulada comienza con el objeto a analizar, es decir el
hueso, pues este podría estar sano, lo que sería una gran ventaja; o podría estar enfermo y
dependiendo de la patología, el manejo del software, en este caso Mimics, podría
complicarse o en el peor de los casos no tener las herramientas suficientes para ejecutar. Si
fuese el peor de los casos entonces se podría buscar un software que tome en cuenta estos
detalles.
Figura 2. 26 Según se tenga, un tomógrafo (a) o u resonador magnético (b) se obtendrán diferentes calidades de
resultados. Obviamente, mientras más actuales, mejor.
Otra desventaja es el uso del dispositivo para la Adquisición de datos. El tomógrafo
usado o disponible no es de última generación por lo tanto las imágenes biomédicas
extraídas no ofrecen la calidad óptima para las circunstancias. Actualmente se sabe que el
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resonador magnético ofrece mejores prestaciones sin embargo su uso está limitado para
pacientes que no posean ningún elemento metálico dentro de su anatomía.
La dependencia de la eficiencia de la metodología al potencial de los software, es
decir su capacidad de segmentación, la calidad del renderizado, etc.; es otra desventaja, sin
embargo el enorme avance de los mismos disminuye esta realidad. Pero mientras no se
posea dicha tecnología se puede usar pequeños subprocesos que ayuden a mejorar tanto la
segmentación como la generación de la superficie y sólido del hueso. Estos subprocesos
aumentan la complejidad del procedimiento por los pasos adicionales que se necesita
hacer.
Otra de las ventajas es que la aplicación de esta técnica garantiza un alto porcentaje de
datos reales, la geometría se intenta mantener intacta, sin embargo, el precio a pagar es el
alto grado de complejidad para el trabajo en software.
2.9.2. Requisitos, restricciones y posibles mejoras
A pesar de la simplicidad del procedimiento propuesto, el campo de aplicación en
biomecánica es casi total. Sin embargo en este punto se debe anotar algunos detalles que
podrían hacer más difícil el método sin llegar a inutilizarlo. Lo mejor es hacer un análisis
en cada etapa:
a) Producto original
La técnica es en principio aplicable a órganos biológicos. Sin embargo si se usa un
adecuado dispositivo de entrada de datos se puede extender la aplicación. Un escáner 3D o
un digitalizador pueden extraer la geometría de cualquier pieza mecánica a fabricar. La
restricción en esta parte del proceso se encuentra en el tamaño del objeto.
b) Adquisición de datos
Los dispositivos a usar son tomógrafos helicoidales computarizados, resonadores
magnéticos u otros artefactos médicos compatibles a incorporarse a una red externa, con un
sistema operativo que permita la comunicación con otros dispositivos como un
computador. Las mejoras están de la mano con la generación de la tecnología que se está
usando. Obviamente resulta óptimo contar con la tecnología más avanzada posible.
El software en el sistema de cómputo conectado al tomógrafo debe tener un
software de fácil uso para el personal médico, de gran interactividad y que trabaje con el
formato DICOM. El éxito de esta etapa depende en gran manera de la capacidad del
usuario para manipular la tecnología en uso.
Una mejora importante se podría dar en lo referente al acceso de los datos. El
convenio de la Universidad de Piura con la Clínica San Miguel debe permitirle a la primera
a tener acceso a los datos tomográficos a distancia por medio de internet y así acelerar el
proceso.
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c) Tratamiento de información
En esta etapa lo fundamental es poseer una computadora que ofrezca las mejores
prestaciones y por lo tanto dicho dispositivo debería contar con características especiales
sobretodo en lo que respecta a:
La memoria: debido a la enorme cantidad de datos que se procesan
simultáneamente y además por requisitos propios de cada programa (sobretodo del
Mimics) que sugieren tener 1Gb de memoria como mínimo.
Disco Duro: para el almacenamiento de los datos y archivos de cada proceso. En un
contexto futuro se necesitaría para mantener los registros e información de todos los
pacientes. Además, por la cantidad de programas para el uso de la metodología de I.I se
necesita como mínimo 100 Gb de espacio almacenamiento.
Además se debe tener en cuenta el trabajo visual que significa observar las
imágenes, las superficies o los sólidos. Por lo tanto es ideal contar con un monitor que
ofrezca las garantías de buena resolución, tamaño y que sea compatible con la velocidad
del procesador.
Las restricciones de esta parte del trabajo pasan por la segmentación. Según el tipo
de segmentación que se usa se tendrá dificultades para su aplicación en algunos casos,
cuyos pacientes sufren de alguna patología que deriva en una anomalía de los resultados.
Por ejemplo, en una paciente con osteoporosis, su densidad ósea no será homogénea y
especialmente en algunas partes de las tomografías el hueso presentará colores muy
opacos. Al momento de segmentar y según el rango de thresholding, esa parte del hueso no
será tomada en cuenta y se llegará a obtener agujeros.
Figura 2. 27 Todo el procedimiento de I.I corre sobre un ambiente informático y en forma más exacta es la
computadora la que desarrolla todos los procesos y allí radica su importancia.
Por eso que una posible mejora sería pasar las tomografías por un filtro que ayude a
reordenar los pixeles sólo en dos grupos: los que pertenecen al hueso y los que no. Con
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esto, el programa Mimics sólo se tendría que preocupar por separar las diferentes partes
pero sólo dentro del hueso.
Una de las mejoras que queda en el aire es el uso de “splines” en vez de polilíneas
que impiden el trabajo por ejemplo en el SolidWorks y que además intervienen en la
generación de la superficie al generar en la mayoría de aplicaciones un exceso de puntos de
control como se verá más adelante.
d) Generación de superficie
Se necesitará lo mismo que para la fase anterior. Sin embargo lo que limita en esta
etapa son las funciones de suavización que en un esfuerzo por mejorar la textura y la
calidad de la superficie, aparte de la corrección que realiza, pierde la forma original. En
otras palabras, se perderán datos. Por eso es que se debe lograr un compromiso entre la
calidad de la superficie y la exactitud que desea conservar.
e) Generación de sólido
El contexto es una combinación de las etapas anteriores.