Metodología para la reconstrucción 3D de estructuras craneofaciales y su uso en el método de elementos finitos

Methodology for 3D reconstruction of craniofacial structures and their use in the finite element method

Este artículo describe la implementación de una metodología para la reconstrucción 3D de estructuras anatómicas craneofaciales conformadas por tejidos duros y blandos a partir de imágenes biomédicas para ser utilizadas en aplicaciones que involucren el método de elementos finitos en bioingeniería. La metodología inicia con el desarrollo de un software de procesamiento de imágenes biomédicas en formato DICOM (Digital Imaging Standard for Medical Images) realizado en lenguaje C que provee la nube de puntos de la estructura anatómica, a partir de la cual se construyen y optimizan las superficies que finalmente son las que conforman un sólido que puede ser exportado a ANSYS10.0®. Este proceso se llevó a cabo utilizando los software de modelación geométrica ProENGINEER WILDFIRE 3.0® y GID 8.0®. Se reconstruyeron estructuras como mandíbula, hueso temporal y algunas piezas dentales de manera satisfactoria, conservando sus características anatómicas, obteniendo un modelo geométrico que permitió efectuar simulación es biomecánicas por medio del método de los elementos finitos en ANSYS 10.0r. La metodología implementada proporcionó una mayor capacidad de detalle en la modelación geométrica de estructuras anatómicas, y a su vez posibilitó la realización de una aplicación biomecánica sin incurrir en simplificaciones como la omisión del hueso esponjoso y la inadecuada asignación de las propiedades mecánicas mandibulares, de modo que se pudiera afectar la calidad de los resultados. Aunque la validación del estudio se realizó a partir de la acción de un dispositivo de ortodoncia sobre la mandíbula, la metodología desarrollada podría aplicarse a la evaluación de otros problemas que involucren estructuras anatómicas diferentes.

INTRODUCCIÓN

La reconstrucción 3D de estructuras anatómicas a partir de imágenes medicas como Resonancia Magnética (RM) y Tomografía Axial Computarizada (TAC), se ha convertido en una técnica  útil, que facilita la visualización optima de los segmentos corporales que necesitan ser evaluados [1, 2] y que está siendo utilizada como una herramienta importante en el diagnóstico médico y la planeación de terapias y procedimientos quirúrgicos, permitiendo el desarrollo de aplicaciones en diversas  áreas de la medicina [3, 4, 5]. Así mismo, el desarrollo de los sistemas de computación, reflejados en las mejoras de la velocidad y capacidad de almacenamiento de información, han permitido un gran desarrollo en el área de procesamiento de imágenes medicas [6], que ha hecho posible el estudio biomecánico de estructuras óseas por el método de elementos finitos como herramienta para el análisis de geometrías complicadas y materiales no lineales [7, 8, 9, 10].

En el campo de la investigación en bioingeniería existe la limitación de realizar experimentos directamente sobre sujetos vivos ya que en algunos casos podría resultar costoso y éticamente cuestionable.