Análisis a Priori del Nivel de Sujeción de Implantes (cgFEM)
El proyecto aquí desarrollado se corresponde con el Trabajo Fin de Máster realizado en la Universidad Politécnica de Valencia, como parte del Máster Universitario en Ingeniería Mecánica. Su fundamento se basa en líneas de investigación previas en las que el Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales (DIMM) se encuentra inmerso en los últimos años: el estudio mecánico de las interacciones entre huesos e implantes a partir del método cgFEM de análisis numérico de imágenes, con el objetivo de sentar las bases para futuros procedimientos propios de la Medicina 4.0.
A partir de estos precedentes, se pretende establecer una primera aproximación a una metodología que permita estudiar, a priori, la viabilidad de una futura operación quirúrgica que involucre el empleo de implantes. Para ello, se han creado las herramientas necesarias en lenguaje Matlab y se han realizado a partir de ellas los estudios ingenieriles adecuados para poder conocer de antemano, si las características del tejido biológico del paciente son aptas para resistir un proceso de osteointegración del hueso mecánicamente aceptable.
En concreto, el DIMM ha desarrollado un código de Elementos Finitos 3D (FEAVox), programado en Matlab, y cuya característica más notable reside en el empleo de mallados cartesianos independientes de la geometría. Entre sus muchas posibilidades numéricas se encuentra la de realizar análisis específicos de paciente a partir de imágenes médicas mediante el método numérico de Elementos Finitos (cgFEM).
En este proyecto se pretende utilizar FEAVox para simular el efecto de futuras operaciones quirúrgicas que involucren la colocación de implantes protésicos en un entorno ‘patient specific’, con el objetivo de determinar el nivel de sujeción esperado de la prótesis una vez colocada en el paciente, con la meta última de estimar, a priori, la adecuación del implante a las características del enfermo y el nivel de éxito de la operación. El criterio para determinar ese nivel de éxito es que las frecuencias naturales asociadas a los modos de vibración del implante deben cambiar y subir en magnitud cuando éste está totalmente rodeado de hueso. El cambio en el valor de esas frecuencias será proporcional a la calidad del tejido biológico del paciente.
A partir de imágenes médicas (TAC o resonancia magnética), FEAVox es capaz de obtener un modelo de elementos finitos que representa con gran exactitud las características de la estructura ósea en las inmediaciones del implante, cuya ubicación requiere de su previa pixelización y del desarrollo de una nueva herramienta, también en lenguaje Matlab, que permita mover y posicionar el objeto con cierta precisión.
La herramienta informática desarrollada, denominada DICOM Modifier, consiste en una GUI que permite, mediante simples gestos de ratón, posicionar, orientar y modificar la imagen médica proveniente de un paciente, con el objetivo final de pasar la información resultante a FEAVox y analizar las frecuencias naturales y modos de vibración del implante por separado y en conjunto con el hueso. Un resumen de las capacidades de la herramienta se puede ver en el siguiente video.
Retos del Proyecto
Aprovechando las líneas de investigación previas y la capacidad propia de FEAVox para realizar mallados de Elementos Finitos a partir de imágenes médicas, se presenta la posibilidad de analizar qué pasa en el proceso de osteointegración de un implante cuando se coloca en el cuerpo humano rodeado de hueso, con el fin de determinar si se va a conseguir una adecuada fijación en base a las características del tejido biológico del paciente.
Para poder realizar estos estudios se hace necesario poder unir la información propia proveniente del paciente en cuestión con la geometría del implante que se le pretende colocar, ya que eso permitiría realizar una evaluación previa del posible éxito de una operación quirúrgica al realizar sobre la unión un examen numérico. Es aquí donde comienzan las dificultades de desarrollo.
El primer problema reside en que la información del paciente, que se obtiene en formato DICOM al realizar sobre el paciente un TAC, es completamente diferente de la que se puede obtener de un archivo CAD de geometría de un implante determinado, por lo que tuvo que idearse una herramienta intermedia que permitiera compatibilizar estas dos informaciones. Esa herramienta se tradujo en un programa desarrollado íntegramente en Matlab, en el marco de este proyecto. Permite ubicar la información de la geometría sobre la información médica del paciente.
Otra dificultad añadida en el proyecto ha sido adaptar las técnicas de programación en Matlab para conseguir que el programa tenga un rendimiento adecuado, pues dada la cantidad de datos que el código debe manejar en tiempo real, el rendimiento en el cálculo de datos debe acelerarse.
Por último, la implementación del análisis modal en FEAVox también supuso un reto significativo, pues la complejidad del programa y su estructura interna de datos dificultaba la comprensión de los datos que se estaban manejando. No obstante, una vez solventadas las dificultades, se logró obtener resultados fiables (corroborados con ANSYS).
Conclusiones
Una vez programadas todas las herramientas necesarias para realizar el estudio del nivel se sujeción de implantes, se ha procedido a realizar ejemplos con imágenes de pacientes anónimos y se han realizado estudios sobre el aumento en las frecuencias naturales en función de la rigidez del tejido óseo circundante al implante. En base a esto, puede establecerse que:
