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La medicina e ingeniería biomédicas avanzan utilizando
modelos de prototipado rápido para obtener una
mejor comprensión de algún caso médico o soluciones
quirúrgicas a casos complejos. El Diseño puede
contribuir enormemente a este propósito por medio
de conocimientos técnicos, pero fundamentalmente a
través del planteamiento de líneas proyectuales claras
de desarrollo productivo. El generar una carcasa para
un celular y una prótesis reconstructiva son procesos
de desarrollo similares, y para entender cómo es esto
posible veremos el desarrollo de una prótesis de cráneo.
La craneoplastía reconstructiva realizada es la primera
en nuestro país donde se utiliza una prótesis de diseño
y factura nacional. La operación finalmente resultó
un gran éxito tanto en ejecución, calce y tiempo de
posicionamiento, gracias al trabajo planificado.
DISEÑO Y PROTOTIPADO
PARA APLICACIONES MÉDICAS
RÁPIDA ELABORACIÓN DE PRÓTESIS PARA RECONSTRUCCIÓN CRANEOFACIAL
Iván Caro
Diseñador de la Pontificia Universidad Católica de Chile _ Diseño y Elaboracion de Biomodelos y Piezas Médicas - Protaico
Designer, Pontificia Universidad Católica de Chile _ Design and elaboration of biomodels and medical parts – Protaico
Ingeniería biomédica _ prótesis _ craneoplastia _
prototipado _ reconstrucción cráneo-facial _ diseño
Biomedical medicine and engineering advance
using fast prototyping models to obtain a better
understanding of a given medical case or surgical
solutions to complex cases. Design can greatly
contribute to this purpose by means of technical
knowledge, but fundamentally by setting forth clear
projective lines for productive development. Generating
a shell for a cell phone and a reconstructive prosthesis
are similar development processes, and to understand
how this is possible we’ll observe the development of
cranium prosthesis. The reconstructive cranioplasty
performed is the first one in our country where a locally
designed and built prosthesis is used. The operation
finally resulted in a major success in its execution as
well as in its fitting and positioning time, thanks to
planned work.
Biomedical engineering _ prosthesis _ cranioplasty _
prototyping _ craniofacial reconstruction _ design
2
1
Introducción
En las últimas décadas ha surgido una nueva generación de
máquinas que, con tecnologías y
materiales diferentes, permiten
innovar para poder obtener un
prototipo a partir de un modelo o
molde generado digitalmente en
el sistema CAD-3D, con precisión
y rapidez. Dichas máquinas son
conocidas como máquinas de Prototipado Rápido, muy diferentes a
las convencionales, ya que permiten obtener de modo automático
piezas físicas acabadas, de cualquier forma y dimensión, con un
alto nivel de complejidad y detalle.
Posibilitan además una mayor
velocidad y menor costo en la obtención de prototipos, lo que ha
significado un valioso apoyo en
el campo del Diseño Industrial,
pues permiten un análisis rápido
y eficiente de un producto o sus
diferentes piezas a través de las
3
168 DISEÑA EMERGENTES
PROYECTOS
REVISTA DISEÑA 3 IMPRENTA.indd 168-169
distintas etapas de diseño, acelerando los procesos para poder
tomar decisiones mucho más
precisas y reales frente a las disposiciones tanto técnicas como
perceptivas de un producto.
El constante perfeccionamiento
y la manipulación avanzada de
datos digitales con softwares especializados permiten introducir
el prototipado rápido de forma
significativa en diferentes áreas de
desarrollo. Los servicios médicos
y de ingeniería biomédica se han
visto particularmente enriquecidos por este progreso, como por
ejemplo con los llamados biomodelos, que son modelos precisos
en tres dimensiones. Se materializan en resina acrílica, lo que
proporciona una réplica exacta de
una región de un paciente.
“Si una imagen vale mil palabras”, “un prototipo vale mil
imágenes”, y el Diseño ha utili-
zado este concepto desde antes
de la existencia de las máquinas
de prototipado rápido. Un ejemplo claro de ello es la industria
automotriz, donde se invierten
millones de dólares en el prototipo de un auto, que en muchos
casos ni siquiera es funcional.
Con el prototipo es posible estudiar múltiples variables, como
su aerodinámica, comprobar los
brillos de su carrocería y principalmente poder ver y estudiar
la aceptación del público, entre
muchas otras prestaciones que
se les exigen a estos modelos.
De forma similar, la medicina
y la ingeniería biomédica, utilizando estos prototipos rápidos de
tamaño real, han podido estudiar
la simetría, proyección, volumen,
defectos, malformaciones y otros
problemas de una forma más detallada. Los biomodelos son, por
tanto, muy útiles para la simulación y preparación de complejas
intervenciones quirúrgicas, ya que
contando de antemano con un
modelo de la zona donde se presenta la patología del paciente,
el profesional de la salud puede
analizar y evaluar la complejidad
del problema al que se enfrenta,
antes de una intervención. De esta
manera se reduce la duración de
la intervención, se minimizan los
riesgos para el paciente y se obtienen mejores resultados.
La experiencia en Brasil es
amplia en este ámbito donde
1 Prótesis
2 _ 3 Prótesis calce biomodelo
esta tecnología se expande masivamente a través de entidades
estatales como el Centro de Tecnología de la Información Renato Archer. Una de sus secciones,
ProMed, genera diariamente una
gran cantidad de biomodelos,
moldes para prótesis, implantes,
guías quirúrgicas y otras innovaciones para el tratamiento quirúrgico y protésico de pacientes,
contando con un equipo multidisciplinarlo de más de 30 profesionales entre los que encontramos ingenieros, programadores
y técnicos especializados. En Argentina, en el Hospital de Pediatría Dr. Fernando Barreyra en
marzo del presente año se instaló
una prótesis craneana mandada
a desarrollar y prototipar a Brasil con un costo que bordeó los
50 mil pesos argentinos (unos 5
y medio millones de pesos chilenos). En Uruguay se diseñó una
prótesis que se envió a fabricar
a Brasil con un costo de 800 mil
pesos chilenos, diseño que fue
desarrollado por un equipo de
odontólogos que en un reportaje
afirmaron: “Somos la única especialidad capaz de reproducir y
crear piezas que se pueden aplicar a cualquier parte del cuerpo
utilizando procedimientos de la
odontología”, según palabras de
Carlos Cabrera, del Servicio de
Prótesis de Uruguay.
Por otra parte, en Chile se utilizan cada vez más los biomode-
“Si una imagen vale mil palabras”,
los para la planificación de complejas cirugías. Para el equipo de
cirugía del Instituto Nacional del
Cáncer, a cargo del Dr. Rodrigo
Montes, son piezas habituales
dentro de su sistema de tratamiento, pero aún no se ha sacado todo el potencial que podría
darse en esta área, considerando
el sofisticado nivel de tecnología
que se utiliza, tanto a nivel de
maquinaria como de software.
Desarrollo
Es un gran desafío lograr estandarizar procesos complejos
de diseño biomédico, tales como
el desarrollo de prótesis maxilofaciales, óseas y moldajes de
biomodelos para desarrollar una
pieza de reconstrucción con materiales biocompatibles.
PROTAICO es la empresa chilena que cuenta con tecnología de última generación en el
prototipado rápido, además de
experiencia en la producción de
biomodelos y guías quirúrgicas,
y desde hace algún tiempo desarrolla soluciones protésicas para
casos complejos. Aquí se ha mezclado tecnología, conocimientos
y habilidades para el desarrollo
en ingeniería biomédica.
Actualmente en Chile la reparación de defectos craneales
se realiza con acrílico PMMA,
mejorado con un porcentaje de
antibióticos agregados a la mezcla, amoldados sobre los tejidos
blandos del paciente dentro del
pabellón quirúrgico; sin embargo, en defectos extensos la realización de dicha reparación es
muy larga, llegando a superar en
algunos casos las 4 horas.
Esto hace que sea una intervención poco precisa y riesgosa
debido a que las condiciones para
generar un modelado y tallado
ideal son adversas, puesto que
el polímero genera altas temperaturas en su canalización, y ello
puede causar daños a la zona del
cerebro expuesta. Asimismo el
tallado en pabellón no es algo
que se estudie previamente, a lo
que se agrega el natural agotamiento del equipo médico tras
largas horas de trabajo.
Lo anteriormente descrito semeja la imagen del artista que se
sitúa frente a una gran pieza de
roble seco y comienza a tallar. En
la medicina de nuestro país esa
postura es parte de un sistema de
trabajo tradicional, donde la preparación del equipo médico tiene
que ver fundamentalmente con
sus conocimientos y experiencia
sobre el tema, estudios radiográficos del paciente analizados en
una pantalla y la habilidad del
cirujano. La eficiencia del equipo
“un prototipo vale mil imágenes”, y el
Diseño ha utilizado este concepto desde
antes de la existencia de las máquinas
de prototipado rápido.
determina en gran medida el éxito o fracaso de una operación.
Es por esto que los biomodelos conforman una plataforma
básica de lo que podríamos llamar “diseño quirúrgico”, el que
permite no tan sólo una mejor
visualización de la zona a operar, sino la planificación de ésta,
adelantando los pasos que se desarrollarán y problemas que se
pudieran presentar. Considerando la importancia y trascendencia de estos beneficios, debiera
establecerse como un estándar
de trabajo médico.
El Equipo de Neurocirugía
Complejo de Salud San Borja
Arriarán buscó en esta tecnología
el tratamiento protésico para el
caso de su paciente infantil V.L.,
quien debido a una hidrocefalia
fue sometido en el 2010 a una
craneotomía descompresiva amplia, dejando un defecto craneal
en el lado izquierdo no cubierto
por hueso de 12 x 17 cm (>200
cm2) abarcando los huesos frontal, parietal, temporal y occipital.
El tratamiento protésico de
este caso se inició con un estudio
TAC, el cual entrega los datos físicos del paciente digitalizados
en un archivo DICOM, los que son
interpretados por un software
especializado. Materialise es líder en esta área y el programa
Mimics es el que nos permite reconstruir toda su estructura ósea,
la que es analizada detalladamente, para generar un modelo
de trabajo limpio.
Se examina la información que
será útil al caso y se elimina la
que no. Para ello hubo que reconocer el material óseo flotante
que estaba presente y diferenciarlo de los restos óseos que se
habían soldado a los huesos del
cráneo; diferenciar, asimismo, los
dispositivos mecánicos de sujeción que se instalaron de forma
4
5
6
4 Paciente
5 _ 6 Biomodelo defecto
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27-09-12 13:49
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3
7
8
10
9
11
provisoria por el equipo de salud
en la craneotomía descompresiva
anteriormente realizada y finalmente eliminar el ruido visual que
provocan los aparatos metálicos
durante la toma del escáner, y así
transformarla en un archivo STL,
el que es trabajado con otro programa de carácter paramétrico
3-MATIC, desarrollado por la misma empresa, el que permite un
fácil manejo de la nube de puntos
que significa un archivo STL, posibilitando así estudiar distintas
alternativas de tratamiento.
Para el diseñador, manejar el
archivo digital de un paciente es
similar a manejar cualquier objeto digital que se puede modificar según nuestra necesidad. En
casos de pérdida de masa ósea
por accidente, el proceso de reconstrucción digital es en teoría
rápido, pues se toma la sección
simétrica sana del paciente para
construir la prótesis que cubrirá
el defecto. Conceptos técnicos
como simetría y unión boleana,
entre otros, son los que permiten
construir el modelo requerido.
Esta experiencia es aplicada
para este caso en particular: colocar la simetría del lado sano
sobre el lado que posee el defecto contrasta de inmediato el
lado derecho con el izquierdo.
Este pequeño y básico paso para
el diseño de prótesis permitió ver
la deformación real que había
adquirido la sección dañada del
paciente, lo que generó un diálogo más profundo entre doctores y
equipo de diseño.
El ideal estético para cualquier
paciente al que se intervenga con
algún tipo de prótesis es lograr
una simetría que parezca natural, pero en este caso el estudio
develó que sería requerida una
intervención aun mayor a la esperada, dificultad que el equipo
médico no estuvo dispuesto a enfrentar, debido a que la operación
básica de extraer todas las piezas
10 _ 11 Cráneo digital original
7 _8 _ 9 Comparando simetría
de hueso flotante de su cráneo
sería muy extensa. El interés del
equipo médico estaba centrado
en la salud del paciente, quien
tenía expuesto el tejido blando de
su cerebro sin protección alguna
de masa ósea, lo que significaba
un riego constante para su salud.
De este modo quedó descartada
la posibilidad de efectuar una
operación que considerara cortar
y retirar una sección de cuerpo
óseo fijo necesario para poder
instalar una prótesis de forma
simétrica en su lado derecho, ya
que alargaría ampliamente la
bía elaborarse en un período de
tres días, ya que estaba fijada la
fecha para ingresar a pabellón,
motivo por el que se decidió tomar una línea de diseño rápida
y eficiente que permitió fabricar
la pieza protésica que se necesitaba. La planificación mezcló la
tecnología avanzada de prototipado con la técnica tradicional
del modelado, estableciendo dos
pasos fundamentales: el prototipado del biomodelo del defecto
craneal y el desarrollo de la prótesis sobre éste.
El biomodelo del defecto fue
por un equipo de laboratoristas
de gran experiencia en el manejo y uso de PMMA (poli metil
metacrilato), que es uno de los
polímeros más biocompatibles.
En su desarrollo se siguieron los
estándares desarrollados por la
empresa Scheu Dental Gmbh, en
Alemania, con certificados para
tolerancia biológica EN 30993 y
EN/ ISO 7405.
El polimetacrilato de metilo
es ampliamente usado en aplicaciones médicas. Generalmente
se puede encontrar en lentes de
contacto y lentes oculares im-
culas inorgánicas han presentado
un incremento en la resistencia
mecánica y de desgaste en comparación con el mismo PMMA,
haciéndolos candidatos para aplicaciones como recubrimientos en
herramientas de corte, materiales
metálicos expuestos a corrosión,
por mencionar algunas.
Conceptualmente, el desarrollo de la pieza fabricada es un
trabajo conocido para el diseñador: fabricar una guía o molde
para desarrollar el prototipo de
alguna pieza sobre él es un trabajo habitual. Dentro del área
operación y traería consigo un
riesgo considerado innecesario.
La operación a la que será
sometido el paciente tiene un
objetivo específico: instalar una
prótesis para reparar el defecto
craneal. Para esto el equipo de
salud debía retirar todos los fragmentos óseos flotantes y reparar
la musculatura de la zona, lo que
se estimaba duraría unas 4 horas
de operación, y luego se colocaría
la prótesis, que debía calzar de
forma precisa.
Cuando el diseño se enfrenta a situaciones médicas como
ésta, debe evaluar varios factores
simultáneos. Por un lado, el interés clínico del equipo de salud,
el factor estético para el paciente, la factibilidad de producción
prototipado bajo tres ejes fundamentados en funcionalidad y
economía. Primero se desarrolló
limpio de toda masa ósea flotante, tal como quedaría el paciente
después de la limpieza que efectuaría el equipo médico en pabellón; segundo, lo suficientemente
ajustado al defecto, para que su
costo fuese bajo y se pudiera trabajar fácilmente; tercero, adelantando el espacio necesario para
la colocación de las sujeciones.
En paralelo al prototipado se
diseñó y confeccionó una serie de
guías que establecieron la forma
básica y límites de la pieza protésica que debía ser hecha a mano.
Tener una línea clara de diseño
permite tomar buenas decisiones ahorrando tiempo y recursos;
además, conocer los conceptos
de manufactura y prototipado
permite utilizar los softwares de
manera completa, desarrollando
guías a modo de planos, los que
permitieron generar un modelado coordinado y fluido.
La prótesis se manufacturó
plantables debido a sus excelentes propiedades ópticas; en membranas de diálisis, dentaduras y
prótesis maxilofaciales. También
destaca su aplicación como cemento óseo para fijaciones protésicas; específicamente en prótesis de rodilla se utiliza desde
los años 70’s como fijación de la
prótesis al hueso. En los últimos
años ha crecido el interés en el
desarrollo de compuestos híbridos, específicamente para aplicaciones biomédicas, debido a que
este tipo de materiales combina
y complementa las propiedades
de los compuestos inorgánicos y
orgánicos. Entre las propiedades
que los componentes inorgánicos
tienden a entregar se encuentran:
mayor durabilidad, resistencia al
médica de nuestro país, es una
secuencia reciente. Aplicarla en
este caso permitió una fabricación rápida de la protésis y contar
con tiempo para volver a evaluar
cuáles serían las zonas más adecuadas para la colocación de las
fijaciones. Inicialmente el equipo
de salud pensó en colocar un
sistema de fijación de plaqueta
craneana compuesto por un dispositivo que presenta una barra
roscada añadida a un disco inferior y un disco superior que por
presión sujeta dos superficies
distintas. Este sistema se utiliza
cuando una prótesis no posee un
calce ideal y deja márgenes de
por lo menos 3 milímetros entre
el defecto craneal y la prótesis
aplicada; pero el diseño de una
rayado y mejor adhesión a sustratos metálicos; mientras que los
orgánicos contribuyen a incrementar la densidad, la flexibilidad
y la compatibilidad funcional con
otros sistemas orgánicos. En este
punto, los recubrimientos híbridos a base de PMMA con partí-
pieza precisa y ajustada, como
era el caso, permitió que el equipo médico aceptara la propuesta
de diseño y se generara así una
serie de pestañas para atornillar
directamente la prótesis al cráneo, sistema de sujeción que es
mucho más seguro y efectivo.
tanto en tiempo como en factura
y también el factor económico,
ya que es la familia del paciente la que cubre todos los gastos.
Es muy delicado el límite de lo
que se debe hacer por el bien del
paciente y lo que se puede hacer
productivamente. La prótesis de-
La prueba de calce de la pieza
protésica sobre el defecto, antes
de su colocación definitiva, duró
no más de 5 minutos, lo que es
todo un éxito en este tipo de
operaciones. Sólo hubo una sección mínima de la prótesis que
se corrigió, por encontrarse una
diferencia entre la limpieza pronosticada y la hecha finalmente;
esto último tomó 30 minutos (implantación protésica y cierre del
paciente), todo un avance, ya que
otras craneoplastias proyectadas
con sistemas de biomodelos demoran hasta una hora y treinta
minutos. El costo de este desarrollo fue de unos 600 mil pesos,
casi un 10% de lo que significó
para el equipo médico del Hospital de Pediatría en Argentina
mandar a prototipar la prótesis
de cráneo a Brasil.
Conclusión
El diseño como una herramienta médica puede beneficiar
directamente la vida de las personas, no sólo trabajando en implementos de gran escala de ventas, sino trabajando en el diseño
personalizado de piezas únicas
tanto con tecnología de punta
como con todas las aplicaciones,
ya sean manuales, mecánicas,
estéticas, según el caso. Esto
permite y genera la movilización
del trabajo en diversos contextos,
sobre todo en el contexto nacional, donde los recursos están li-
mitados a la capacidad de cada
paciente y a la voluntad de evolucionar con nuevas técnicas de
trabajo por parte de los distintos
equipos de salud. El proceso de
Diseño también se entiende como
una experiencia exportable que
puede llegar a ser fundamental
para otras disciplinas, así como
el manejar conceptos de producción, retención, modelado, modelado 3D, planimetrías es esencial
a la hora de enfrentar situaciones
como las que se describieron.
Asimismo, otros conceptos, como
planificación proyectual, etapas
concurrentes de desarrollo, trabajo interdisciplinario y la voluntad de ayudar a las personas
antes que al mercado y al ego,
son decisivos para crear y mejorar líneas de trabajo, creando
nuevos estándares de desarrollo
y calidad.
La tecnología y los recursos
digitales son importantes para
un desarrollo que apunte hacia
el futuro, pero lo fundamental es
un equipo humano que la lidere
innovando con seriedad y apertura de mente, enfocados en la
realidad del contexto donde se
esté situado. El diseño es un gran
aporte para poder realizar eso,
en todas las áreas de desarrollo
donde estén involucrados procesos proyectuales.
1
Línea de tratamiento
tradicional en Chile
2
Línea de tratamiento con
apoyo de prototipado rápido
en Brasil
3
Línea de tratamiento
desarrollado por el equipo
de Diseño en Protaico con
apoyo de prototipado rápido
y modelado manual
DNA
Bibliografía
Gibson, I. (2005). Advanced
manufacturing technology for
medical application.
Bibb, Dr. R. (2008).
The computer aided design and
fabrication of facial protheses.
Para el diseñador, manejar el archivo digital de un paciente es similar a manejar
cualquier objeto digital que se puede modificar según nuestra necesidad.
Groover, M. (1997). Fundamentos
de manufactura moderna.
Navarro, C. H. y varios autores
(2010). Síntesis y caracterización
de un recubrimiento de tipo
PMMA-CaO.
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