Estudio comparativo de software de segmentación y postprocesado de imágenes médicas para impresión 3D en docencia médica

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica Estudio comparativo de software de segmentación y postprocesado de imágenes médicas para impresión 3D en docencia médica Autora: Calvo Bragado, Inés Tutores: Herráez Sánchez, Marta Soudah Prieto, Eduardo Dpto. CMeIM Área Ingeniería Mecánica Valladolid, julio de 2023 I II AGRADECIMIENTOS En primer lugar, quiero dar las gracias a mis tutores, Eduardo Soudah Prieto y Marta Herráez Sánchez, por hacer posible este trabajo e introducirme en un campo totalmente desconocido para mí. En segundo lugar, a mis amigos, por ser un apoyo fundamental en los buenos momentos y, sobre todo, en los malos. Gracias por compartir risas y también llantos. Por último, a mis padres y a mi hermana, por alentarme a cumplir mis metas y por su infinita paciencia en las épocas más difíciles. III IV RESUMEN El presente Trabajo de Fin de Grado abordará la elaboración de modelos anatómicos de aneurismas abdominales mediante tecnología de impresión 3D para facilitar la compresión de la patología por parte de pacientes y estudiantes de ciencias de la salud. Antes de comenzar con el proyecto, se ha realizado una evaluación sobre el actual alcance de las tecnologías de impresión 3D en diversos sectores, haciendo hincapié en el ámbito de la medicina, así como, de los principales hospitales nacionales que están haciendo uso de esta tecnología. El presente trabajo final de grado se centra en la obtención de las aneurismas. Para ello, se han comparado diferentes programas de prepostprocesado de imágenes médicas, con el objetivo de definir aquellos que satisfagan el objetivo principal: “elaboración de modelos anatómicos para su uso en docencia”. Por último, se realizará una evaluación económica con la intención de minimizar los costes sin alterar el resultado óptimo. PALABRAS CLAVE: Impresión3D, Aorta, Modelo anatómico, 3DSlicer, ITKSnap. ABSTRACT This Final Project Degree deal will the development of anatomical models of abdominal aneurysms using 3D printing technology to facilitate the understanding of the pathology by patients and students of Health Sciences. Before starting the project, an assessment of the current importance of 3D printing technologies in different sectors has been made, with an emphasis on the field of medicine, as well as the main national hospitals that are making use of this technology. This Final Project Degree focuses on the production of aneurysms. For this purpose, different medical image pre-post-processing programs have been compared, with the aim of defining those that satisfy the main objective: "elaboration of anatomical models for use in teaching". Finally, an economic evaluation will be carried out with the intention of minimizing costs without altering the optimal result. KEYWORDS: 3D printing, Aorta, Anatomical model, 3DSlicer, ITK-Snap. V VI ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .................................................................................... 1 1.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1 1.2. OBJETIVOS .......................................................................................................... 2 1.3. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO ....................................................................... 3 2. ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................... 5 2.1. IMPRESIÓN 3D ................................................................................................... 5 2.2. APLICACIONES DE LA IMPRESIÓN 3D ............................................................... 5 2.2.1. INDUSTRIA .................................................................................................. 5 2.2.2. ARQUITECTURA ........................................................................................... 6 2.2.3. AEROESPACIAL ........................................................................................... 7 2.2.4. EDUCACIÓN ................................................................................................ 7 2.2.5. ARTE ............................................................................................................ 8 2.3. MEDICINA ........................................................................................................... 9 2.3.1. APLICACIONES .......................................................................................... 10 2.3.2. MODELOS ANATÓMICOS .............................................................................. 27 2.3.3. HOSPITALES CON UNIDAD 3D EN ESPAÑA ................................................ 36 3. FLUJO DE TRABAJO .................................................................................................. 41 3.1. ADQUISICIÓN IMÁGENES MÉDICAS ................................................................ 43 3.2. SEGMENTACIÓN AORTA ................................................................................... 48 3.2.1. 3D SLICER ................................................................................................ 48 3.2.2. ITK-SNAP ................................................................................................... 58 3.2.3. COMPARATIVA DE USO DE LOS PROGRAMAS ........................................ 72 3.3. POSTPROCESADO ............................................................................................ 74 3.3.1. MESHMIXER ............................................................................................. 74 3.3.2. MESHLAB .................................................................................................. 75 3.4. COMPARACIÓN CUALITATIVA DE MODELOS SEGMENTADOS ....................... 77 3.5. COMPARACIÓN CUANTITATIVA DE MODELOS SEGMENTADOS ..................... 81 4. FABRICACIÓN ............................................................................................................ 87 4.1. ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA) ............................................................................. 87 4.2. MODELADO POR DEPOSICIÓN FUNDIDA (FDM) ............................................. 89 5. COSTES DEL PROCESO ............................................................................................ 93 5.1. COSTES DIRECTOS ........................................................................................... 93 5.2. COSTES INDIRECTOS ....................................................................................... 94 VII 6. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ....................................................................... 97 6.1. CONCLUSIONES................................................................................................ 97 6.2. LÍNEAS FUTURAS ............................................................................................ 103 7. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 105 1 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1. INTRODUCCIÓN Desde la aparición de la fabricación aditiva durante los años 80, ésta se fue introduciendo lentamente en la industria a lo largo de la siguiente década, lográndose notables avances que han ido transformando completamente el proceso de diseño y desarrollo de productos en la actualidad. Hoy en día, todos estos procesos se han simplificado, hasta tal punto que, a menudo, es suficiente con encender una impresora 3D, elegir un archivo y obtener el modelo impreso. Es posible afirmar que el crecimiento de esta tecnología ha aumentado tanto que está prácticamente al alcance de todos, pudiéndose diseñar y fabricar objetos desde casa. La implantación de la tecnología aditiva ha supuesto una gran revolución abarcando desde la industria de la automoción hasta el sector de la educación. La impresión 3D juega un papel fundamental en el área industrial debido a que permite convertir un diseño virtual en un producto tangible, sin la necesidad de emplear otro tipo de herramientas más costosas. Gracias al incremento de la cantidad de máquinas y softwares, cada vez más sencillos de utilizar, se puede conseguir una impresión de una amplia gama de objetos en diversos tipos de materiales. El resultado es la reducción de tiempos y la facilidad del proceso. No obstante, indudablemente el campo de la medicina ha sido uno de los que más se ha beneficiado de la innovación de la tecnología de impresión 3D, ya que los avances han permitido obtener productos de mayor calidad y, por ende, lograr una considerable mejora en las condiciones de vida de los pacientes. Dentro de la medicina existen numerosas aplicaciones en las que la fabricación aditiva está adquiriendo cada vez más importancia. Algunas de estas aplicaciones son las siguientes: instrumental quirúrgico a medida, implantes personalizados, guías quirúrgicas, fármacos, órtesis, prótesis y uno de los campos que se encuentra actualmente en vías de desarrollo, la bioimpresión. Este trabajo final de grado se centra en el ámbito de la docencia médica y se dirige específicamente hacia la impresión de modelos anatómicos. Estos modelos anatómicos son representaciones físicas y tangibles de la estructura anatómica del cuerpo humano. La utilización de tecnología 3D para fabricar estos modelos desempeña un papel crucial, ya que facilita en gran medida la comprensión y el análisis de diversas patologías, como los aneurismas abdominales. Además, los modelos anatómicos impresos en 3D se convierten en herramientas indispensables tanto para los estudiantes como para los 2 pacientes. Por un lado, los estudiantes pueden examinar y manipular estos modelos, lo que les permite comprender de manera más sencilla la estructura del cuerpo humano y su funcionamiento. Por otro lado, estos modelos también son de gran ayuda para los pacientes, ya que les permiten entender de forma más clara y visual las patologías que puedan afectarles, lo cual conlleva numerosos beneficios. En resumen, la impresión de modelos anatómicos en 3D no solo mejora la enseñanza y el aprendizaje en el ámbito médico, sino que también contribuye a una mejor comunicación y comprensión de las patologías por parte de los pacientes, generando un impacto positivo en la práctica médica en general. Se prevé que, en un futuro, la fabricación aditiva siga aumentando exponencialmente su crecimiento alcanzando nuevas aplicaciones en todos los ámbitos. 1.2. OBJETIVOS La principal finalidad del trabajo es la elaboración, tanto la obtención como la fabricación, de modelos anatómicos de Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA) mediante tecnologías de impresión 3D. Un aspecto muy importante a tener en cuenta en este trabajo es la persecución de un propósito didáctico, por lo que todas las decisiones estarán ligadas a tal fin. Por ello, el objetivo final será lograr la obtención de modelos anatómicos que cumplan con su finalidad didáctica y, a su vez, puedan ser lo más económicos posibles. En relación con la obtención del modelo a partir de imágenes médicas, se llevará a cabo un estudio, tanto de diversos programas de segmentación como de distintos programas de postprocesado, cuyo objetivo será el desarrollo de diversos modelos anatómicos virtuales. Además, se creará un manual de usuario sobre el manejo de los programas utilizados. Tras la obtención de los modelos mediante los diferentes softwares de segmentación y postprocesado, se procederá a la realización de una evaluación cualitativa y cuantitativa de estos, cuyo fin será la elección del programa de segmentación y el programa de postprocesado que presente mejores resultados, dentro del marco didáctico y económico. En relación con la fabricación del modelo anatómico 3D, se tratarán los distintos tipos de impresión 3D con sus respectivos materiales con el objetivo de seleccionar el tipo más adecuada, en el que el acabado final no es un aspecto crítico, ya que tiene un enfoque didáctico y visual. 3 Por último, se realizará un estudio económico de todas las partes influyentes durante el proceso de elaboración de modelos anatómicos de neurisma de Aorta Abdominal. Adicionalmente a los objetivos detallados anteriormente, se incorporan como objetivos académicos la adquisición de las competencias genéricas (CG), relacionadas con la profesión de Ingeniero Técnico Industrial, y de las competencias específicas (CE), relacionadas con la rama de Mecánica. Estas competencias se encuentran reflejadas en la Orden CIN/351/2009 del Boletín Oficial del Estado. 1.3. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO En este apartado se explicará la estructura del Trabajo de Fin de Grado. En el primer capítulo, se abordará una breve introducción del propio trabajo junto a los objetivos perseguidos y la organización de dicho trabajo. El segundo capítulo, desarrollará el concepto de impresión 3D, así como su alcance hoy en día y sus distintas aplicaciones. En el tercer capítulo, se llevará a cabo, ampliamente, el desarrollo del proyecto, así como las metodologías utilizadas. En el cuarto capítulo,¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se explicarán y compararán las distintas tecnologías de fabricación aditiva con las que se llevará a cabo el proyecto. En el quinto capítulo, se realizará un estudio económico del procedimiento, el cual abarca desde el proceso de segmentación hasta la propia impresión de los modelos anatómicos. Por último, el sexto capítulo, expondrá las conclusiones y líneas futuras alcanzadas tras la finalización del trabajo. 4 5 2. ESTADO DEL ARTE 2.1. IMPRESIÓN 3D La impresión 3D es una tecnología basada en los procesos aditivos. Estos procesos aditivos se obtienen mediante la superposición de sucesivas capas de material. El fin que persigue esta tecnología es el desarrollo de un objeto tridimensional personalizado que pueda ajustarse a las necesidades de cada individuo. Para este proceso de impresión 3D, es necesario el uso de software de CAD (Computer Aided Design o Diseño Asistido por Ordenador), el cual permite diseñar el producto deseado y obtener virtualmente su modelo 3D. Generalmente, los materiales más utilizados son los plásticos, aunque también es posible emplear otros materiales como metales, materiales en polvo, etc. 2.2. APLICACIONES DE LA IMPRESIÓN 3D Esta tecnología supone una gran revolución debido a la multitud de aplicaciones en la vida real y los distintos tipos de técnicas y materiales utilizados según el objeto deseado. 2.2.1. INDUSTRIA La impresión 3D en el sector de la industria permite la mejora de los procesos de fabricación, tanto en el diseño (Ilustración 1) del producto como en el control del proceso. Por otro lado, el auge de las impresoras 3D que hacen uso del metal, posibilitan la obtención de piezas para los distintos tipos de maquinaria, disminuyendo considerablemente los tiempos de fabricación. Ilustración 1: Neumático Michelin fabricado con impresora 3D. Fuente: (Revista 12 Voltios & Personal Car, 2022) 6 2.2.2. ARQUITECTURA Hace unos años, el diseño de estructuras y la construcción de maquetas se realizaba totalmente a mano. El mayor inconveniente era que esta técnica podía llevarse a cabo durante días, semanas o meses. Con la llegada de la impresión 3D, se ha optimizado este proceso, ya que dicha tecnología permite actualizar el diseño con facilidad y acortar los plazos de elaboración de la maqueta. Las maquetas diseñadas en 3D (Ilustración 2) ayudan a entender perfectamente las ideas que el proyecto pretende transmitir. Por otra parte, se está comenzando a utilizar materiales en la construcción impresos mediante la tecnología 3D (Torras, s. f.). Ilustración 2: Maqueta fabricada con impresora 3D. Fuente: (Camargo, s. f.) En la Ilustración 3 se puede ver un edificio de cinco plantas cuya construcción se ha realizado mediante fabricación aditiva. Ilustración 3: Edificio impreso en 3D. Fuente: (Winsun3d, 2015) 7 2.2.3. AEROESPACIAL La industria aeroespacial exige una constante investigación e innovación respecto a los materiales de los diversos elementos. Dichos materiales deben ser aptos para lidiar con condiciones de alta presión, alta temperatura y desgaste. A través de la impresión 3D, se consiguen piezas resistentes y ligeras, lo que facilita el rendimiento de las aeronaves y, por consiguiente, su mantenimiento. Se puede ver un ejemplo en la Ilustración 4. Ilustración 4: Soporte producido por impresión 3D para Airbus A350. Fuente: (Calvo, 2021) 2.2.4. EDUCACIÓN Atendiendo a la educación, la impresión 3D también juega un papel importante, debido a que fomenta el aprendizaje dinámico. Permite un aumento de la atención por parte de los alumnos, desarrolla las distintas cualidades, fomenta la interacción y participación en el aula, etc. Algunos ejemplos se muestran en la Ilustración 5. Por otro lado, permite a los centros educativos preparar y enseñar a sus alumnos sobre los distintos programas de diseño y el funcionamiento de las impresoras 3D (Sicnova, 2020). Ilustración 5: Ejemplos piezas impresas en 3D. Fuente: (Sicnova, 2020) 8 2.2.5. ARTE En el ámbito del arte, la impresión 3D se emplea a menudo con el objetivo de restaurar o replicar algunas obras de arte muy relevantes. Un ejemplo es la réplica del David de Miguel Ángel (Ilustración 6), que fue realizada por el pabellón italiano a causa de la Dubai World Expo 2020 (Redacción El Correo del Golfo, 2021). Ilustración 6: Copia de la estatua David de Miguel Ángel fabricada mediante impresión 3D. Fuente: (Redacción El Correo del Golfo, 2021) Otra de las aplicaciones de la tecnología 3D en el mundo del arte es el cine, donde se crean personajes (Ilustración 7), efectos visuales y textiles que facilitan y agilizan el trabajo que anteriormente era manual (Marchante, 2020). Ilustración 7: Película animada que utiliza impresión 3D. Fuente: (Marchante, 2020) 9 2.3. MEDICINA El sector de la medicina está experimentando un extraordinario crecimiento con la llegada de la tecnología de impresión 3D. En la Ilustración 8 se puede ver el creciente número de publicaciones en medicina en relación a la impresión 3D. Por ello, es posible afirmar que la impresión 3D está desarrollando todo su potencial en esta área. La impresión tridimensional en el campo de la salud se está convirtiendo en un instrumento para la visualización física de imágenes clínicas, lo cual es fundamental para las tareas de planificación preoperatoria en diversos ámbitos quirúrgicos. Asimismo, induce la cooperación multidisciplinaria entre ingenieros, diseñadores, radiólogos, cirujanos u otros profesionales relacionados con el sector sanitario (Andrés-Cano et al., 2021). Ilustración 8: Número de publicaciones por año sobre impresión 3D en medicina. Fuente: (Andrés-Cano et al., 2021) Existen casi 7,5 millones de estructuras diferentes por lo que cada día se crean nuevos tratamientos y dispositivos capaces de adaptarse de la mejor manera posible a cada persona, permitiendo así el acercamiento entre médicos y pacientes (Contreras, 2022). La influencia de la tecnología 3D en la medicina implica grandes beneficios en el terreno sanitario. Por un lado, estos métodos terapéuticos proporcionan una mayor comodidad, seguridad e individualización del tratamiento sobre el paciente. La personalización del tratamiento vía impresión 3D supone un gran ahorro de tiempo y dinero frente al uso de técnicas 16 Varios de los objetivos que persigue la técnica de impresión 3D en el ámbito de la farmacología son los descritos a continuación: Ajuste de la dosis de medicamento en relación a la altura y peso del paciente, permitiendo cambiar la dimensión y el llenado del medicamento de una manera más rápida y sencilla (Ilustración 18). Combinación de dos o más medicamentos en un único comprimido, disminuyendo así el número de comprimidos que una persona necesitaría tomar. Esto puede ser de gran importancia en pacientes ancianos. En función de los materiales utilizados, posibilidad de liberación controlada del fármaco, provocando una emisión más rápida o incluso una emisión dirigida a regiones específicas. Ilustración 18: Ajuste de dosis para impresión 3D de medicamentos. Fuente: (UKE Hamburg, 2022) La FDA destaca el futuro prometedor de la impresión 3D en la impresión de medicamentos debido a su gran potencial para incrementar su efectividad y seguridad (Andrés-Cano et al., 2021). En el año 2019, se realizó en el Hospital Clínico Universitario de Santiago de Compostela un estudio para la preparación de terapias personalizadas mediante impresión 3D. Fue posible gracias a la colaboración de la compañía farmacéutica FabRx con investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela (USC) y la University College London (UCL). 17 El estudio estaba focalizado en el tratamiento de la enfermedad de la orina con olor a jarabe de arce (MSUD) en pacientes pediátricos. La MSUD es una enfermedad hereditaria rara que afecta a 1 de cada 185.000 nacidos. Esta enfermedad se caracteriza por generar un trastorno metabólico que impide la catabolización de los aminoácidos leucina, isoleucina y valina, provocando así un aumento de los niveles de estos químicos en los fluidos corporales, lo que podría causar daños en el cerebro e incluso la muerte. El tratamiento para la MSUD requiere la restricción de leucina en la dieta, pudiendo ser necesario el suplemento de dosis de isoleucina y valina (Goyanes et al., 2019). Mediante la impresión 3D, se prepararon formulaciones masticables de isoleucina totalmente personalizadas (forma, color, sabor, dosis, etc.) denominadas “printlets” (Ilustración 19) y se suministraron a cuatro pacientes pediátricos de entre 3 y 16 años de edad. En la Ilustración 20 se observa la tabla que recoge el número de pacientes, género, edad, dosis aplicada y los días de ingesta (Goyanes et al., 2019). Ilustración 19: Formulaciones masticables impresas en 3D de diferentes dosis, sabores y colores. Fuente: (Goyanes et al., 2019) Ilustración 20: Información de los pacientes. Fuente: (Goyanes et al., 2019) 18 Posteriormente, se hizo una comparación de la eficacia obtenida en el mantenimiento del nivel de isoleucina en sangre a través de la medicación convencional y a través de los “printlets”, llegando a las siguientes conclusiones: ➢ Obtención de los rangos objetivos de isoleucina en sangre mediante formulaciones impresas en 3D, pero no mediante las cápsulas convencionales. ➢ Aumento de la aceptabilidad y cumplimiento del paciente gracias al diseño de formulaciones masticables de diversos colores y sabores que eliminaban la necesidad de ingerir alimentos o agua. ➢ Posibilidad de preparación de formulaciones evitando sustancias que puedan generar reacciones alérgicas en determinados pacientes. ➢ Automatización del proceso, evitando errores y aumentando la seguridad y la calidad del medicamento y disminuyendo los costes. ➢ Corto período de tiempo de proceso de impresión 3D, llegando a fabricar la medicación necesaria de un mes (28 printlets) en 8 minutos. ÓRTESIS Una órtesis es un dispositivo externo que se adapta a cualquier región anatómica, cuyo objetivo es modificar las condiciones estructurales o funcionales del sistema neuromuscular o del esqueleto y así, inmovilizar, estabilizar o restaurar la parte afectada del cuerpo (Sacyl, 2023). El uso de la tecnología de impresión 3D para fabricar órtesis, implica una gran ventaja, ya que, al ser totalmente personalizadas, se produce una mejoría en la adaptación a la anatomía del paciente. Gracias a esta tecnología y los nuevos materiales utilizados, se ha podido asistir de una forma más fácil al tratamiento de enfermedades de extremidades inferiores, extremidades superiores e incluso problemas de columna vertebral, como la escoliosis (Andrés-Cano et al., 2021). La Ilustración 21 expone el proceso de obtención de una órtesis de muñeca con sus distintas fases: renderizado virtual (A), modelo CAD personalizado (B), impresión 3D (C), aplicación de la órtesis (D). 19 Ilustración 21: Órtesis de muñeca mediante impresión 3D. Fuente: (Andrés-Cano et al., 2021) Las órtesis elaboradas por impresión 3D son una gran alternativa a las convencionales. Con la llegada de estas nuevas órtesis, se ha conseguido un mejor ajuste a la anatomía humana, unos buenos resultados médicos y un mayor grado de comodidad para los pacientes. Cabe destacar la reducción del tiempo de espera de los pacientes debido a las demoras en la llegada de las distintas piezas para las órtesis. Todo ello con una disminución del coste de fabricación (FormLabs, 2020). Estudios recientes han determinado que las órtesis impresas en 3D son equivalentes a las tradicionales (Andrés-Cano et al., 2021). En la Ilustración 22 y Ilustración 23, se muestran algunos tipos de órtesis. Ilustración 22: Casco 3D para plagiocefalia en bebés. Fuente: (Ottobock, s. f.) 20 Ilustración 23: Órtesis “UNYQ Align” para escoliosis. Fuente: (Dezeen, 2016) PRÓTESIS Año tras año, miles de personas ven amputada alguna de sus extremidades. Sólo una pequeña parte logra hacerse con una prótesis para poder restablecer el funcionamiento del miembro perdido. Por una parte, están las prótesis más sencillas, las cuales están disponibles en algunas tallas, por lo que los pacientes deben arreglarse con la que mejor les sirva. Por otro lado, existen las prótesis biónicas (Ilustración 24), que son dispositivos mucho más sofisticados, hechos a medida y con capacidad de control y simulación de movimientos y agarres de miembros reales. Estos dispositivos son extremadamente costosos, por lo que solamente están disponibles para personas que cuenten con los mejores seguros médicos de los países más desarrollados. Una gran parte afectada de la población son los niños, ya que su rápido crecimiento requiere la compra continua de nuevas prótesis o las costosas reparaciones de estas (FormLabs, 2020). Ilustración 24: Prótesis biónica controlada con el cerebro. Fuente: (Ron Winslow, 2013) 21 La tecnología de impresión 3D es una gran solución para estos problemas, debido a que puede fabricar prótesis personalizadas por un precio mucho más asequible (Ilustración 25). De este modo, la personas con menos recursos económicos podrán optar a estos tratamientos. Según la Organización Mundial de la Salud, “existen 30 millones de personas en todo el mundo que necesitan prótesis”, por lo que la fabricación aditiva ayudaría a aumentar la disponibilidad de estas prótesis (Conteras, 2022). Ilustración 25: “Exo Prosthestic Leg, prótesis de titanio 3D. Fuente: (Grunewald, 2015) En todo el mundo existen numerosos proyectos de ayuda para personas que necesitan una prótesis en su día a día. Uno de estos proyectos es el de la organización sin ánimo de lucro Enable, creada en Estados Unidos. El proyecto consiste en una red de voluntarios alrededor de todo el mundo que se encargar de crear diseños con código abierto para poder imprimirlos en 3D. El principal objetivo del proyecto es “dar una mano amiga” a las personas que disponen de menos recursos económicos y así, evitar los elevados gastos que conllevaría una prótesis tradicional. Aproximadamente, forman parte de este proyecto 40.000 voluntarios repartidos en más de 100 países. Entre 10.000 y 15.000 han sido las personas a las que la organización ha conseguido donar una prótesis de mano o brazo (Owen, 2022). En la Ilustración 26 y la Ilustración 27 se puede ver un ejemplo de dichas prótesis. 22 Ilustración 26: Prótesis de brazos impresas en 3D. Fuente: (Owen, 2022) Ilustración 27: Niño utilizando prótesis de mano 3D. Fuente: (Conteras, 2022) En 2018 nace “Superhéroes”, un proyecto de diseño e impresión 3D llevado a cabo por la Universidad de Oviedo, en concreto, el laboratorio MediaLab de la Escuela Politécnica de Ingeniería de Gijón. Este proyecto está formado por estudiantes voluntarios de la Universidad de Oviedo junto con terapeutas ocupacionales (MediaLab, 2021). La finalidad del programa es ofrecer una solución personalizada a cada una de las necesidades precisadas por las personas, en su gran mayoría niños. Esta solución consiste en diseñar la prótesis en dos elementos, como se puede observar en la Ilustración 28. El primero de ellos es el guante, que es el componente que recubre el muñón de la persona. El segundo elemento es el denominado gadget (Ilustración 29), que es la parte encargada de satisfacer la 23 necesidad específica. La unión entre los dos componentes se realiza mediante un acople, el cuál es común para todas las prótesis (MediaLab, 2021). Ilustración 28: Diseño de prótesis con gadget para tocar la guitarra. Fuente: (MediaLab, 2021) Ilustración 29: Diseño gadgets para coger el cepillo de dientes y la cuchara. Fuente: (MediaLab, 2018) 24 BIOIMPRESIÓN En la actualidad, los tratamientos habituales para pacientes con graves insuficiencias orgánicas implican el uso de autoinjertos, injertos de tejido cuya procedencia resulta de otra parte del cuerpo del mismo paciente, o el uso de trasplantes de órganos provenientes de un donante (FormLabs, 2020). Según Rafael Matesanz, fundador de la Organización Nacional de Trasplantes: “En el mundo, se calcula que unos 2 millones de personas cada año pueden necesitar un trasplante y se vienen realizando unos 140.000. Es decir, la posibilidad de conseguirlo no supera el 4-5%. En España cualquier persona que necesita un órgano, estadísticamente tiene un 94-95% de probabilidades de conseguirlo”. Aunque España es uno de los países que encabezan la lista de mayor número de donantes a nivel mundial (Ilustración 30), este tratamiento supone un gran reto para la medicina, debido a que la demanda de órganos es mucho mayor que la oferta (Crespo Garay, 2021). Ilustración 30: Ránking mundial de trasplantes de órganos. Fuente: (García & Amade, 2023) Investigadores y científicos trabajan para hacer frente a estas estadísticas. Así surge la bioimpresión, una tecnología basada en la fabricación aditiva que persigue el desarrollo de tejidos, vasos sanguíneos y órganos totalmente funcionales para poder combatir lesiones y enfermedades (FormLabs, 2020). 25 La bioimpresión consiste en conducir el crecimiento celular de tal manera que se pueda obtener el tejido requerido. Para ello, se precisa de un andamio, una plantilla biodegradable donde las células vivas irán creciendo, multiplicándose y adoptando la forma, el tamaño y la geometría de dicho andamio. Una vez se haya completado el crecimiento, la estructura del andamio se descompone gradualmente dejando las células vivas con la configuración del tejido deseado. El siguiente paso es el cultivo de las células en un biorreactor, donde se reproducen las condiciones internas del organismo y cuyo objetivo es alcanzar el funcionamiento biológico y mecánico del tejido (FormLabs, 2020). En la Ilustración 31 se muestra la bioimpresión de una aorta en miniatura Ilustración 31: Biorreactor impreso en 3D con aorta en miniatura creciendo en su interior. Fuente: (FormLabs, 2020) Existen avances en relación con los materiales biológicos apropiados para la impresión 3D. Uno de estos avances es el impulso que le están dando los científicos a los nuevos materiales de hidrogel compatibles con la tecnología aditiva, cuya consistencia es la misma que se puede encontrar en el tejido orgánico del cerebro y los pulmones. El objetivo es poder implementar este material en los “andamios” que ayudan a dirigir el crecimiento de las células (FormLabs, 2020). Otro de los grandes avances fue la impresión del primer corazón 3D a partir de las células de un paciente (Ilustración 32). Este hecho se produjo en abril de 2019 gracias a los investigadores de la Universidad israelí de Tel Aviv. Este corazón era una pequeña réplica, del tamaño del corazón de un conejo, 32 COMUNICACIÓN Los modelos anatómicos son una herramienta muy útil a la hora de comunicarse los médicos entre ellos o los médicos con los pacientes. La impresión 3D les proporciona una visión adicional a los médicos. La comunicación médico-médico (Ilustración 36) se produce en la preparación preoperatoria, donde los médicos planifican e incluso simulan la cirugía. Esta comunicación genera una mayor seguridad en el profesional sanitario y reduce su incertidumbre a la hora de enfrentarse a la intervención quirúrgica. Esto es posible gracias a que cada modelo anatómico esta personalizado al paciente. Ilustración 36: Uso de modelo anatómico para comunicación entre médicos. Fuente: (Pérez-Mañanes et al., 2016) Respecto a la comunicación con los pacientes (Ilustración 37), gracias a los biomodelos, los pacientes comprenden mucho mejor el tipo de lesión que tienen y el tratamiento que van a recibir cuando son informados por el cirujano. Esto provoca una mayor tranquilidad en los pacientes y un alto índice de satisfacción con la intervención quirúrgica. 33 Ilustración 37: Uso de modelo anatómico para comunicación médico-paciente. Fuente: (Pérez-Mañanes et al., 2016) FORMACIÓN DE PROFESIONALES Los modelos anatómicos se están utilizando como herramientas educativas en el ámbito sanitario (Ilustración 38). Con ellos, se instruye y capacita a futuros cirujanos para que aprendan a tratar los casos más complejos, practicando las operaciones en los propios modelos (Bernhard Dorweiler, 2018). Ilustración 38: Curso formación de cirugía impartido en el Hospital Sant Joan de Déu. Fuente: (Redacción Interempresas, 2022) 34 MARCO REGULATORIO Tras un trabajo de más de cuatro años, fue publicado el 5 de abril de 2017 el REGLAMENTO (UE) 2017/745 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO sobre los productos sanitarios, por el que se modifican la Directiva 2001/83/CE, el Reglamento (CE) n.o 178/2002 y el Reglamento (CE) n.o 1223/2009 y por el que se derogan las Directivas 90/385/CEE y 93/42/CEE del Consejo (AEMPS, 2021). Este Reglamento entró en vigor en mayo de 2021, un año más tarde de la fecha prevista. Esta demora se produjo como consecuencia de la pandemia de COVID-19, ya que, en su momento, el principal propósito era asegurar el suministro de los productos sanitarios necesarios para enfrentarse a la crisis sanitaria (AEMPS, 2021). El objetivo del Reglamento es establecer un marco legal a los productos sanitarios para garantizar el alto nivel de calidad, seguridad y eficacia de dichos productos. Se entiende por “producto sanitario” todo instrumento, dispositivo, equipo, programa informático, implante, reactivo, material u otro artículo destinado por el fabricante a ser utilizado en personas, por separado o en combinación, con alguno de los siguientes fines médicos específicos (DOUE, 2017): ➢ Diagnóstico, prevención, seguimiento, predicción, pronóstico, tratamiento o alivio de una enfermedad. ➢ Diagnóstico, seguimiento, tratamiento, alivio o compensación de una lesión o de una discapacidad. ➢ Investigación, sustitución o modificación de la anatomía o de un proceso o estado fisiológico o patológico. ➢ Obtención de información mediante el examen in vitro de muestras procedentes del cuerpo humano, incluyendo donaciones de órganos, sangre y tejidos. 35 Los productos sanitarios se clasifican en cuatro clases, dependiendo del grado de riesgo que pueda implicar al paciente, siendo de clase I el menor grado y de clase III el máximo grado (GOIB, s. f.). Clase I: productos que no tienen contacto con el paciente o que dicho contacto se produce con la piel intacta y es pasajero. Ejemplo: gasas, vendas, bolsas de orina, etc. Clase IIa: productos introducidos en el cuerpo humano a través de la piel que no son permanentes y productos que modifiquen un proceso fisiológico de manera no peligrosa. Ejemplo: drenajes, agujas, etc. Clase IIb: productos destinados al diagnóstico y productos que influencien procesos fisiológicos de forma peligrosa. Ejemplo: bolsas de sangre, equipos de rayos X, desfibriladores externos, hemodializadores. Clase III: productos implantables, productos con sustancias medicinales, productos absorbibles. Ejemplos: endoprótesis vascular, prótesis de cadera, suturas absorbibles, etc. El nuevo Marco De Regulación, pasa a contemplar producto sanitario a varios de los elementos descritos en el apartado 2.3.1, como son las guías quirúrgicas (Clase IIa), órtesis (Clase IIa), implantes (Clase III) y modelos anatómicos (Clase I). El REGLAMENTO (UE) 2017/745 exige a los fabricantes la posesión de una licencia de actividad y una licencia sanitaria. La primera de ellas supone el obligado cumplimiento de la normativa de protección y seguridad en las instalaciones. La segunda licencia, dicta la previa certificación del sistema de calidad del fabricante mediante la Norma UNE-EN ISO 13485:2018. Productos sanitarios. Sistemas de gestión de la calidad. Requisitos para fines reglamentarios (Redacción ConSalud, 2021). En cuanto a la tecnología aditiva, el Reglamento impone el uso de impresoras 3D certificadas para elaborar productos sanitarios. Por tanto, se limita el uso quirúrgico de dispositivos como las guías quirúrgicas o los biomodelos impresos en 3D. Para un uso quirúrgico, estos dispositivos deberán cumplir la normativa mencionada. De no ser así, únicamente podrán ser herramientas de uso didáctico y apoyo para la planificación preoperatoria. En España únicamente cumplen el nuevo marco legal el Hospital Universitario Gregorio Marañón y el Hospital Sant Joan de Déu. Actualmente, la Agencia Española de Medicamentos y Productos Sanitarios (AEMPS) junto con la Comisión Europea, trabajan para desarrollar información que facilite la implantación del reglamento publicado en 2017 (AEMPS, 2021). 36 2.3.3. HOSPITALES CON UNIDAD 3D EN ESPAÑA Actualmente, cada vez son más los hospitales de todo el mundo que ven necesaria la implementación de la tecnología 3D en sus centros. Seguidamente se van a exponer distintos casos en los que hospitales han aplicado dicha técnica para resolver de una manera mucho más eficaz las intervenciones. Todos ellos cuentan con una potente unidad de diseño y fabricación 3D. En España existen varios hospitales pioneros en la fabricación aditiva. En la ciudad de Madrid se encuentra el Hospital General Universitario Gregorio Marañón. Por otro lado, en Barcelona está el Hospital de la Santa Creu i Sant Pau y el Hospital Sant Joan de Déu.. HOSPITAL GENERAL UNIVERSITARIO GREGORIO MARAÑÓN Fabricación de un implante personalizado en un caso de condrosarcoma de pared torácica Un paciente fue diagnosticado de un tumor en la pared torácica y precisó la extirpación de cuatro costillas. Para ello, se realizó una reconstrucción tridimensional del tórax y se diseñó un implante a medida. El implante fue fabricado con impresión 3D utilizando el titanio como material (UPAM3D, s. f.). Tras la compleja intervención, el implante no ha presentado fallos. En la Ilustración 39 se puede observar la imagen radiológica donde se aprecia el tumor, el modelo virtual 3D con el tumor en rojo, el modelo virtual 3D con el implante en gris, imagen de la intervención quirúrgica, imagen del implante impreso en 3D, imagen radiológica donde se observa el implante ya en el tórax. Ilustración 39: Procedimiento intervención quirúrgica. Fuente: (UPAM3D, s. f.) 37 Fabricación de implante en titanio de tibia y peroné personalizados en un caso de sarcoma de Ewing Diagnóstico de sarcoma de Ewing en la tibia y el peroné distal. Para la intervención se diseñó una guía quirúrgica cuyo material era una resina biocompatible y dos implantes de titanio fabricados a medida para sustituir el peroné distal y el espacio intercalar tibial. La guía quirúrgica fue fabricada por el propio centro mientras que los implantes fueron fabricados por una empresa externa seleccionada por la UPAM3D (Unidad de Planificación Avanzada y Manufactura 3D) debido a su gran rapidez en la fabricación de dispositivos personalizados. Gracias a la impresión 3D se pudo reducir los costes y el tiempo quirúrgico y aumentar la precisión de reconstrucción (UPAM3D, s. f.). En la Ilustración 40 se observa la imagen radiológica prequirúrgica en la cual se aprecia el sarcoma, los biomodelos 3D en blanco junto con las guías quirúrgicas y los implantes, el implante colocado durante la cirugía y la imagen radiológica postoperatoria. Ilustración 40: Procedimiento de intervención quirúrgica. Fuente: (UPAM3D, s. f.) 38 Fractura de suelo de órbita. Biorréplica especular para preconformado de malla quirúrgica El paciente presentaba una rotura en la órbita derecha debido a un traumatismo. La impresión 3D permitió el modelado de una réplica anatómica de la órbita para poder diseñar una malla quirúrgica de titanio previamente a la intervención. Esto evitó el diseño de la malla durante la operación, reduciendo así el tiempo hasta un 50% (UPAM3D, s. f.). En la Ilustración 41 se aprecia el modelo virtual 3D con la órbita dañada, la imagen radiológica previa a la operación, el modelo anatómico de la órbita con la malla de titanio y el modelo anatómico de la órbita dañada. Ilustración 41: Proceso planificación preoperatoria. Fuente: (UPAM3D, s. f.) 39 HOSPITAL SANT JOAN DE DÉU El Hospital Sant Joan de Déu fue el primero del mundo en hacer uso de la tecnología 3D para la planificación quirúrgica de una cirugía oncológica en un paciente pediátrico. El caso en concreto se trataba de un neuroblastoma en un niño de 5 años (HSJD, 2014). El neuroblastoma es un tumor extremadamente ofensivo, el cual se desarrolla en el tejido nervioso. Se forma más frecuentemente alrededor de las glándulas suprarrenales, aunque también puede aparecer en el abdomen, tórax, cuello y cerca de la columna vertebral. Este tipo de cáncer es uno de los más habituales en niños. Supone el 10% de los cánceres detectados en la población infantil (HSJD, 2014). Para su tratamiento es necesaria la extirpación del tumor y la aplicación de sesiones de quimioterapia y/o radioterapia. La extirpación de dicho tumor implica una extremada precisión ya que, al estar rodeado de arterias y numerosos vasos sanguíneos, un fallo podría poner en peligro la vida del paciente. El equipo de cirujanos del hospital optó por realizar una copia en 3D del tumor y así poder ensayar la operación y estudiar la forma más eficaz de enfrentarse a la intervención (Ilustración 42). Dicha copia se realizó mediante el uso de dos tipos de materiales. El primero de ellos era una resina para imprimir los vasos sanguíneos y órganos de la zona. El segundo era un material translúcido para asemejar la consistencia del tumor real. Por otro lado, también se fabricó un modelo sin el tumor, para poder observar el resultado al hacer la operación (HSJD, 2014). Ilustración 42: Modelos anatómicos impresos en 3D. Fuente: (HSJD, 2014) 40 HOSPITAL DE LA SANTA CREU I SANT PAU Infarto de miocardio Un paciente fue ingresado en el Hospital de la Santa Creu i Sant Pau debido a su estado crítico provocado por un infarto agudo de miocardio con la grave complicación de rotura cardíaca. Para ello, se imprimió en 3D el corazón del paciente (Ilustración 43). Dicha impresión proporcionó a los médicos información única y detallada. Esto ayudó a los cirujanos a personalizar la intervención (Espanyol, 2019). Ilustración 43: Réplica impresa en 3D del corazón real. Fuente: (Espanyol, 2019) Reconstrucción de oreja En el año 2022, el Hospital de la Santa Creu i Sant Pau de Barcelona logró realizar por primera vez una reconstrucción del pabellón auricular gracias a la tecnología 3D. Con la fabricación aditiva fue posible recrear minuciosamente los relieves y repliegues de la oreja (Expósito, 2022). Para realizar esta cirugía, el primer paso fue obtener el modelo 3D virtual de la oreja sana del paciente mediante un escaneo 3D o una tomografía computarizada. Con ello, se puedo hacer una “oreja espejo” impresa en 3D y así poder reconstruir la malformación (Expósito, 2022). Ilustración 44: Oreja reconstruida con ayuda de su modelo en 3D. Fuente: Hospital de la Santa Creu i Sant Pau de Barcelona 41 3. FLUJO DE TRABAJO En este apartado, se desarrollará el flujo de trabajo seguido para la elaboración de los modelos anatómicos de los aneurismas de aorta (Ilustración 45). El proyecto consta de las siguientes fases: adquisición de imágenes médicas, segmentación de la aorta, postprocesado para la obtención de un modelo CAD e impresión 3D del modelo anatómico. Seguidamente se hará una breve explicación de la patología del aneurisma de aorta abdominal. Ilustración 45: Esquema de elaboración del modelo anatómico. Fuente: Propia. El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA) es una enfermedad vascular que se caracteriza por una dilatación del vaso sanguíneo, cuyo diámetro es igual o superior a 3 cm o existe una dilatación mayor al 50% del diámetro normal del vaso. Se puede considerar aneurisma grande cuando el diámetro supera los 5,5 cm (Soudah, 2016; Soudah et al., 2015). Indicar que hay estudios recientes que analizan otros parámetros del aneurisma abdominal, tales como, la excentricidad ó la longitud del saco aneurismático (Alonso et al., 2016; NietoPalomo et al., 2021; Soudah et al., 2016). Sin embargo, el diámetro máximo sigue siendo hoy en día, el indicador usado durante la práctica clínica. El diámetro máximo será el índice utilizado a la hora de comparar los modelos. La mayor parte de los aneurismas de aorta abdominal, aproximadamente el 90%, se localizan por debajo de las arterias renales. En la Ilustración 46 se muestra la comparación entre una aorta sana y una con la patología. 48 3.2. SEGMENTACIÓN AORTA La segmentación de imágenes médicas es un proceso que se utiliza para identificar y delimitar estructuras de interés en imágenes médicas. Las imágenes médicas pueden ser tomografías computarizadas (TC), resonancias magnéticas (RM) o ecografías. Como se ha mencionado anteriormente, este estudio ha sido llevado a cabo a partir de imágenes obtenidas mediante Tomografías Computarizadas. El objetivo principal de la segmentación es separar y etiquetar regiones específicas de la imagen, las cuales serán posteriormente reconstruidas en el modelo CAD. El presente trabajo consiste en la segmentación de aneurismas de aorta. La segmentación puede realizarse mediante diferentes métodos: manual, semiautomático o automático. Manual: el usuario selecciona los píxeles de la región de interés en cada uno de los cortes de las TC. Automática: se utilizan herramientas con algoritmos que seleccionan las regiones de interés cuyas características son similares en todos los cortes del estudio. Semiautomática: es una combinación entre la segmentación manual y automática. Esta segmentación es la que se ha llevado a cabo en el estudio. A continuación, se va a desarrollar la segmentación semiautomática haciendo uso de dos programas de edición de imágenes médicas: 3D Slicer e ITK-Snap. 3.2.1. 3D SLICER 3D Slicer es un software de código abierto y gratuito utilizado en el campo de la medicina. Esta plataforma permite la visualización, edición y análisis de imágenes médicas cuyo objetivo es facilitar la comprensión de las estructuras anatómicas y la planificación de tratamientos. Es una aplicación sin restricciones de uso, por lo que los usuarios pueden personalizar su interfaz integrando distintas extensiones creadas por ellos mismos y así ampliar las capacidades del software. CARGA DE IMÁGENES DICOM El primer paso a realizar antes de proceder con la segmentación del aneurisma de aorta es la carga de la secuencia de imágenes DICOM del paciente, obtenida a través de una Tomografía Computarizada. Para ello, hay que seleccionar el botón “Add DICOM Data” que se encuentra en el módulo “Welcome to Slicer” y seguidamente hacer clic en “Import DICOM files”(Ilustración 54). Se abrirá la carpeta de archivos, donde se buscará la 49 carpeta que contiene la secuencia de imágenes deseada. Es importante tener en cuenta que dichas imágenes estén bien ordenadas. Ilustración 54: Menú principal de 3D Slicer con una secuencia de imágenes cargad. Fuente: Propia. Una vez cargada la secuencia, se pueden visualizar cuatro ventanas con cuatro colores diferentes. El color rojo se corresponde con el plano axial, el verde con el coronal, el amarillo con el sagital y el azul con una vista 3D. Con ayuda de la ruleta del ratón o en su defecto, la barra deslizadora de cada ventana, es posible visualizar cada uno de los cortes que forman el volumen. PREPARACIÓN DE LAS IMÁGENES Tras haber completado la carga de la secuencia de imágenes, es necesario preparar las imágenes para lograr una mayor facilidad a la hora de proceder a la segmentación del volumen. Por ello, es muy recomendable acotar el espacio de trabajo mediante el ROI (Region Of Interest), una herramienta que permite eliminar las partes no necesarias en la posterior segmentación. Esta operación se realiza en el módulo “Volume Rendering” que se encuentra en el desplegable de la barra de herramientas (Ilustración 55). Tras seleccionar el módulo, hay que pinchar sobre el icono del ojo donde pone “Display ROI”. Aparece un recuadro que permite modificar los límites en cada una de las vistas bidimensionales. Si se activa la opción “Enable”, se puede observar en la vista tridimensional cómo se eliminarían las partes externas al recuadro. 50 Ilustración 55: Vista del programa en el módulo “Volume Rendering”. Fuente: Propia. Con el fin de suprimir el volumen prescindible, se hace uso del módulo “Crop Volume” situado en la barra de herramientas (Ilustración 56). Ilustración 56: Opción “Volume Rendering”. Fuente: Propia. Al seleccionar dicho módulo, se abre su menú. En la opción “Input ROI” hay que fijar el ROI creado en el paso anterior. El resto de las opciones deben marcarse como se muestra en la Ilustración 57. Acto seguido se hará una breve explicación de las opciones señaladas: ➢ Interpolated cropping: cuando está activada, se habilitan las opciones de recorte por interpolación. ➢ Spacing scale: es un factor de escala que determina la separación entre los vóxeles del volumen de salida mediante la multiplicación de dicho factor por la separación de los vóxeles de entrada. Si el factor es mayor que 1,0, aumenta la separación y por tanto disminuye la resolución. Por el contrario, si el factor es menor que 1,0, la separación disminuye y aumenta la resolución. En este caso se va mantener la resolución de entrada, por lo que el factor elegido será 1,0. ➢ Isotropic spacing: si está activado, establece el mismo espaciado entre vóxeles en los tres ejes del volumen de salida, tomando como valor el valor más pequeño del volumen de entrada. 51 ➢ Interpolator: es el tipo de interpolación utilizada para crear el volumen de salida. o Nearest neighbor: calidad baja, velocidad alta. o Linear: calidad media, velocidad media. o B-spline: calidad alta, velocidad baja. o Windowed Sinc: calidad alta, velocidad baja. Ilustración 57: Opciones de configuración de “Crop Volume”. Fuente: Propia. 52 Otra operación importante para la preparación de las imágenes es el ajuste de los niveles de gris de la imagen. Lo que se pretende conseguir es un mayor contraste de grises entre la estructura deseada, en este caso la aorta, y el resto de las estructuras. Se lleva a cabo con el botón de “Adjusting image window” situado en la barra de herramientas (Ilustración 58). Para aplicar este comando, simplemente hay que clicar en una de las tres ventanas bidimensionales y arrastrar el cursor hasta lograr el contraste deseado (Ilustración 60). Ilustración 58: Comando “Adjusting image window”. Fuente: Propia. SEGMENTACIÓN SEMIAUTOMÁTICA Una vez que se ha concluido el proceso anterior, la imagen ya se encuentra preparada para obtener la segmentación del aneurisma de aorta. En este procedimiento se ha optado por hacer uso de la herramienta “Grown from seeds”. Dicha herramienta se basa en la colocación de semillas y su posterior crecimiento. Es importante destacar que este comando necesita usar como mínimo dos segmentos. El objetivo de la herramienta es identificar el rango de grises de la semilla y generar una región cuyo rango sea similar al de la semilla. En primer lugar, hay que acceder al módulo “Segment Editor” situado en la barra de herramientas, cuyo símbolo se puede ver en la Ilustración 60. El siguiente paso es crear los distintos segmentos haciendo clic en el botón “Add” tantas veces como segmentos sean necesarios (Ilustración 61). En este caso se utilizarán dos segmentos: el primero, que identificará el rango de grises de Ilustración 59: Imágenes antes y después de usar “Adjusting image window”. Fuente: Propia. 53 la aorta, y el segundo, que se utilizará para delimitar el crecimiento del primer segmento. Después de crear los segmentos, es recomendable darle un nombre y un color a cada uno de ellos con el fin de facilitar su distinción a la hora de emplearlos. En este caso, los nombres serán “Aorta” y “Límite” y los colores serán rojo y verde, para conseguir un buen contraste (Ilustración 62). Ilustración 60: Opción “Segment Editor”. Fuente: Propia. Ilustración 61: Botón “Add” de comando “Segment Editor”. Fuente: Propia. Ilustración 62: Segmentos con su nombre y color correspondientes. Fuente: Propia. Posteriormente, con el comando “Paint” se marcan las áreas de color rojo y verde como se muestra en la Ilustración 63. Basta con dar color a una parte de la región, no siendo necesario colorear completamente el área. Las marcas deben realizarse en varios cortes de la TC. El proceso de pintar las regiones de interés puede hacerse en los tres planos: axial, coronal y sagital. 54 Ilustración 63: Vistas bidimensionales con las áreas marcadas. Fuente: Propia. Ilustración 64: Vista 3D con las áreas marcadas. Fuente: Propia. Para terminar el proceso de segmentación hay que hacer clic en la opción “Grown from seed” y seguidamente en “Initialize” para comenzar el proceso de crecimiento de las semillas. Pulsando en el botón “Show 3D” se podrá ver el resultado en la vista 3D antes de aplicarlo (Ilustración 64). Debido a ciertas irregularidades, antes de aplicar el comando “Grown from seed”, se pueden pintar las regiones mal detectadas, haciendo que el programa vuelva a recalcular la segmentación. Una vez corregidas las irregularidades se hace doble clic en el botón “Apply”. 55 Ilustración 65: Resultado segmentación. Fuente: Propia. Tras la segmentación (Ilustración 65), es posible visualizar en el modelo 3D la ausencia de las arterias renales y la poca precisión en las arterias ilíacas. Este problema se va a solucionar manualmente utilizando el comando “Paint” (Ilustración 66). Para ello, es útil activar las opciones “Sphere brush” que permite pintar esféricamente en lugar de manera plana, y “Edit in 3D views”, la cual permite pintar o borrar en la vista 3D. Para ganar una mayor calidad en la segmentación, se hace doble clic en la herramienta “Islands”, se mantiene seleccionada la opción “Keep selected island” y se clica en el modelo. Esto hace que se eliminen todas las partículas sobrantes que no pertenecen al modelo. 56 Ilustración 66: Resultado final de la segmentación. Fuente: Propia. Finalmente, hay que exportar el modelo como una malla de superficie para poder visualizarlo y procesarlo en un software de externo del que se hablará más tarde. El formato elegido será STL. Para ello, hay que acceder al módulo “Segmentations” de la barra de herramientas (Ilustración 67). Ilustración 67: Opción “Segmentations”. Fuente: Propia. Una vez abierto el menú, hay que abrir el desplegable “Export to files” para elegir la carpeta de destino del archivo (Ilustración 68). El resto de las opciones se dejan por defecto. Se debe tener en cuenta la escala a la que se va a exporta el archivo, en cuyo caso será 1,0. Por otro lado, hay que marcar la opción “Visible segments only”, lo que permite exportar únicamente los segmentos deseados, en este caso el segmento del color rojo (Ilustración 69). Es muy importante que el segmento a exportar se encuentre visible y el resto estén ocultos. Tras configurar el menú, solo queda pulsar en el botón “Export”. 57 Ilustración 68: Desplegable de opciones “Export to files”. Fuente: Propia. Ilustración 69: Visibilidad de los segmentos. Fuente: Propia. 64 CLASSIFICATION La opción “Classification” se basa en asignar un color a cada nivel de gris para que el programa identifique las distintas regiones. Con este comando es necesario aplicar al menos dos colores (Ilustración 79). En este caso, al tener un contraste muy marcado, solamente serán necesario dos colores. Después de marcar cada nivel de gris, la opción “Train classiefier” muestra cómo sería el resultado (Ilustración 80). Ilustración 79: Clasificación de niveles de gris. Fuente: Propia. Ilustración 80: Opción “Classification”. Fuente: Propia. 65 EDGE ATRACTTION La últimas de las opciones de presegmentación es la atracción de bordes. Esta opción se basa en el suavizado de los vóxeles que forman los bordes dejando aquellos bordes más relevantes. Como se puede observar en la Ilustración 81, “Edge atracttion” no es una buena opción ya que los bordes de la aorta apenas se diferencian, por lo que se obtendría una segmentación muy poco precisa. Ilustración 81: Opción “Edge atracttion”. Fuente: Propia. 66 Tras completar la fase de la presegmentación, el siguiente paso es la inicialización. En esta etapa se colocan varias semillas de color rojo en distintas zonas de la estructura de interés (Ilustración 80). Las semillas son regiones circulares denominadas “Bubbles”. Dichas semillas se van añadiendo al pulsar el botón “Add Bubble at Cursor”. Es posible modificar su radio mediante la barra deslizadora situada debajo del botón “Add Bubble at Cursor”. Para continuar con la siguiente fase, hay que pinchar en el botón “Next”. Ilustración 82: Colocación de semillas. Fuente: Propia. 67 El tercer y último paso de la segmentación semiautomática es la evolución. La evolución consiste en el crecimiento o expansión de las semillas mediante sucesivas iteraciones del programa (Ilustración 83). El crecimiento de las burbujas se produce por las partes blancas, quedando sin segmentar las partes azules. Debido a que existen más partes blancas de las que realmente interesan, hay que controlar la expansión, pausándola en el momento en el que la estructura se encuentre segmentada (Ilustración 84). Ilustración 83: Evolución de las semillas. Fuente: Propia. 68 Ilustración 84: Menú configuración “Evolution”. Fuente: Propia. En la Ilustración 85 se observan dos segmentaciones del mismo aneurisma de aorta mediante los dos tipos de presegmentación que dieron mejores resultados. La aorta de la izquierda muestra el método “Thresholding” mientras que la de la derecha muestra el método de “Classification”. El método Ilustración 85: Comparación de los métodos “Thresholding” y “Classification”. Fuente: Propia. 69 “Edge Attraction” no se ha llevado a cabo debido al mal resultado a la hora de establecer los límites de la segmentación. Como se puede observar, se ha obtenido un mejor efecto aplicando la opción “Classification”, ya que el modelo contiene menos imperfecciones y ha logrado definir las arterias renales. Por tanto, el método elegido será “Classfication”. Una vez se ha completado la segmentación semiautomática a través del comando “Snake”, se procede a modificar manualmente ciertas zonas debido a diversas imperfecciones. Para ello, se hace uso de la herramienta “Paintbrush” de la barra de herramientas (Ilustración 86). En el menú de opciones de “Paintbrush” se puede seleccionar la forma que va a tener el pincel y su tamaño. Por otro lado, es recomendable marcar la casilla “3D” para pintar con una esfera en lugar de con un plano. Por comodidad se puede seleccionar “Isotropic”, lo que hace que la forma del pincel no difiera de una vista bidimensional a otra. Hay que tener en cuenta que para pintar vóxeles se debe hacer clic con el botón izquierdo del ratón y para borrar debe ser pulsando el botón derecho. Ilustración 86: Menú de opciones “Paintbrush”. Fuente: Propia. 70 En la Ilustración 87 se puede apreciar el resultado final de la segmentación del aneurisma de aorta. Ilustración 87: Resultado final de la segmentación. Fuente: Propia. Finalmente, queda exportar la segmentación al formato de archivo STL. En la barra superior de herramientas se encuentra la opción “Segmentation”. Tras hacer clic en la opción hay que seleccionar “Export as Surface Mesh”. Una vez ahí, se abrirán dos ventanas. En la primera de ellas se selecciona el segmento a exportar, en cuyo caso será el único que hay (color rojo) (Ilustración 88). La segunda ventana aparecerá seguidamente y en ella habrá un desplegable para seleccionar el formato (Ilustración 89). Por último, se pulsa en “Finish”. 71 Ilustración 88: Ventana de selección de segmento. Fuente: Propia. Ilustración 89: Ventana de selección de formato de archivo. Fuente: Propia. 72 3.2.3. COMPARATIVA DE USO DE LOS PROGRAMAS Con el fin de seleccionar un software para desempeñar la segmentación, se van a tratar los diferentes aspectos positivos y negativos que se han podido observar durante el manejo de cada uno de los dos programas. 3D SLICER VENTAJAS Es un software de código abierto y gratuito, por lo que no es necesario invertir dinero para su uso. Contiene numerosos módulos de procesamiento de imágenes. Incluye un módulo expresamente dedicado a la segmentación de imágenes. La segmentación puede realizarse de manera manual o semiautomática. Seguidamente se enumeran las herramientas utilizadas para cada método. ➢ Método Manual: ▪ Pintar. ▪ Dibujar. ▪ Borrar. ➢ Método Semiautomático: ▪ Grow from seeds (crecimiento de semillas): es la herramienta utilizada en el proyecto. ▪ Level tracing o seguimiento de nivel. ▪ Thresholding o umbralización. ▪ Islands o islas. ➢ Herramientas complementarias: ▪ Fill between slices (rellenar entre cortes). ▪ Logical operators (operadores lógicos): copiar, invertir, intersectar, etc. ▪ Smoothing. Se obtienen segmentaciones de gran calidad. Es posible personalizar la interfaz del programa y la manera de visualizar los cortes de las imágenes. El uso de colores en la interfaz facilita su uso. Posibilidad de modificar la segmentación en la vista 3D. Actualización automática de la vista 3D cada vez que se modifica la segmentación en alguno de los cortes. 73 INCONVENIENTES Debido a la gran cantidad de módulos y herramientas, supone un mayor tiempo para el usuario familiarizarse con el software debido a su complejidad. Posible ralentización del programa durante la segmentación debido a la actualización continua de la vista 3D. ITK-SNAP VENTAJAS Software de código abierto y gratuito. Contiene un único módulo especializado en la segmentación de imágenes. Posibilidad de realizar la segmentación mediante un método manual o semiautomático. ➢ Método Manual: ▪ Pincel. ▪ Polígono. ▪ Borrar. ➢ Método Semiautomático: ▪ Snake: es la herramienta utilizada. Como se ha explicado anteriormente, dispone de tres modalidades de presegmentación: ❖ Thresholding (umbralización) ❖ Classification (clasificación) ❖ Edge Attraction (atracción de borde) Se obtienen segmentaciones de gran calidad. Interfaz intuitiva. Aprendizaje más rápido debido a su menor número de herramientas. Software rápido. INCONVENIENTES El programa dispone de un número reducido de herramientas, lo que dificulta la segmentación en caso de aparecer alguna complicación. No se puede personalizar la interfaz del programa. No existe la posibilidad de modificar la segmentación en la vista 3D. La vista 3D no se actualiza automáticamente, es necesario pulsar un botón para ver el resultado. 80 Una vez equiparados todos los modelos con su versión anterior y posterior al suavizado de la superficie, es posible afirmar que se alcanzan unos resultados bastante buenos con ambos softwares de segmentación. Sin embargo, existe una pequeña divergencia entre el programa de 3D Slicer y el ITK-Snap. Dicha diferencia se percibe en los modelos del 3D Slicer, en cuya superficie se mantienen pequeñas irregularidades en forma de picos (Ilustración 96 e Ilustración 97). A pesar de aplicar el proceso de suavizado, estas irregularidades simplemente van estrechando su tamaño, no consiguiendo su eliminación total de la superficie. Por el contrario, en las superficies suavizadas de los modelos de ITK-Snap la superficie es mucho más continua. En las siguientes ilustraciones se exponen imágenes ampliadas de algunas zonas con defectos de los modelos en 3D Slicer (modelo de la izquierda) y su comparación con los modelos de ITK-Snap (modelo de la derecha). Ilustración 96: Comparación de superficies de modelos suavizados Caso 1. Fuente: Propia. Ilustración 97: Comparación superficies de modelos suavizados Caso 2. Fuente: Propia. 81 3.5. COMPARACIÓN CUANTITATIVA DE MODELOS SEGMENTADOS Tras haber realizado la comparación cualitativa de los modelos obtenidos con cada uno de los programas de segmentación, se continúa con un análisis cuantitativo. Dicho análisis se lleva a cabo de nuevo con el programa GiD Simulation. A diferencia de la anterior comparativa, esta vez se procede a la superposición de los modelos suavizados para analizar el diámetro máximo de cada ejemplar. Para ello, se han realizado cortes transversales a lo largo del eje Z. En color verde se muestran los cortes de los modelos obtenidos con 3D Slicer y en color rojo los modelos de ITK-Snap. En el ANEXO I se muestran las imágenes DICOM donde se mide el diámetro máximo del aneurisma en el corte sagital con 3d Slicer. En la Ilustración 98, Ilustración 99, Ilustración 100, Ilustración 101 y Ilustración 102 se muestran las comparaciones de todos los casos. CASO 1 Imagen DICOM Diámetro máximo: 52,74 mm 3D Slicer Diámetro máximo: 48,48 mm ITK-Snap Diámetro máximo: 49,42 mm Ilustración 98: Comparación de modelos caso 1 en distintos planos. Fuente: Propia. 82 CASO 2 Imagen DICOM Diámetro máximo: 116,9 mm 3D Slicer Diámetro máximo: 109,66 mm ITK-Snap Diámetro máximo: 111,24 mm Ilustración 99: Comparación de modelos caso 2 en distintos planos. Fuente: Propia. 83 CASO 3 Imagen DICOM Diámetro máximo: 49,36 mm 3D Slicer Diámetro máximo: 46,43 mm ITK-Snap Diámetro máximo: 48,39 mm Ilustración 100: Comparación de modelos caso 3 en distintos planos. Fuente: Propia. 84 CASO 4 Imagen DICOM Diámetro máximo: 55,10 mm. 3D Slicer Diámetro máximo: 50,84 mm ITK-Snap Diámetro máximo: 51,89 mm Ilustración 101: Comparación de modelos caso 4 en distintos planos. Fuente: Propia. 85 CASO 5 Imagen DICOM Diámetro máximo: 23,24 mm 3D Slicer Diámetro máximo: 24,85 mm ITK-Snap Diámetro máximo: 22,69 mm Ilustración 102: Comparación de modelos caso 4 en distintos planos. Fuente: Propia. 86 Como se puede observar en las imágenes, en la parte superior de la aorta, incluyendo el aneurisma, los cortes están prácticamente superpuestos entre sí, lo que significa que los dos programas dan un resultado similar a la hora de la segmentación. En la parte inferior de la aorta, cuando ésta se bifurca para dar lugar a las arterias ilíacas, sí es posible apreciar una mayor diferencia en los cortes superpuestos. Esto se debe a que, en el proceso de segmentación, se ha utilizado el método manual para obtener un mejor resultado de las arterias ilíacas. Dicha diferencia de dimensiones no es excesivamente relevante, puesto que no es una diferencia muy grande y la parte realmente importante del modelo es el aneurisma, lugar en el que, como ya se ha visto, los programas sí coinciden en resultado. En la Tabla 1 Tabla 1: Diámetros máximos del aneurisma: Fuente: Propia.se muestran los porcentajes de error de los diámetros máximos del aneurisma que tienen los modelos obtenidos con ambos programas de segmentación frente a los diámetros máximos medidos en las imágenes DICOM. Estas mediciones han sido tomadas en el corte sagital con el programa 3D Slicer y se pueden ver en el ANEXO I. Es posible apreciar que el programa ITK-Snap acumula menos error, ya que su mayor porcentaje es de 6,29%, mientras que el mayor error en 3D Slicer es de 8,08%. Por tanto, los resultados obtenidos con ITK-Snap se ajustan más a las imágenes DICOM y, por tanto, a la realidad. Tabla 1: Diámetros máximos del aneurisma: Fuente: Propia. Una vez se han obtenido los modelos anatómicos, se explicará en el siguiente apartado las distintas técnicas de fabricación aditiva para continuar con su impresión 3D. Caso 1 48,48 49,42 52,74 8,08 6,29 Caso 2 109,66 111,24 116,9 6,19 4,84 Caso 3 46,43 48,39 49,36 5,93 1,97 Caso 4 50,84 51,89 55,1 7,72 5,82 Caso 5 24,85 22,69 23,24 6,94 2,36 Diámetro imagen DICOM (mm) Diámetro mayor (mm) 3D Slicer (mm) ITK-Snap (mm) % Error 3D Slicer % Error ITK-Snap 87 4. FABRICACIÓN En este apartado se contemplarán los tipos de tecnologías de impresión mediante fabricación aditiva y, por consiguiente, los materiales utilizados en cada tecnología. Posteriormente se elegirá la técnica y material para realizar el modelo anatómico del aneurisma de aorta abdominal. 4.1. ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA) La técnica de impresión denominada estereolitografía se basa en un proceso conocido como fotopolimerización. Este proceso consiste en utilizar una resina fotosensible en estado líquido como material de partida, la cual será endurecida a través de un láser ultravioleta. Este método hace uso de un depósito donde se vierte la resina líquida. En el interior del depósito se sitúa sumergida una plataforma móvil cuyos movimientos tienen lugar a lo largo del eje Z (Ilustración 103). Inicialmente, la plataforma se dispone una profundidad de la superficie libre igual que el espesor de capa de material deseado. Seguidamente, la luz láser impacta sobre la resina trazando la trayectoria indicada. A medida que el láser indice sobre la resina, ésta se va endureciendo. Una vez impresa la primera capa, la plataforma móvil se desplaza hacia abajo para generar la siguiente capa de material. Este proceso se ejecuta tantas veces como número de capas tenga el modelo a imprimir. Una vez finalizada la fabricación aditiva, el modelo requiere un postprocesado en el que se le aplica una luz ultravioleta a la pieza con el objetivo de proporcionar unas mejores características mecánicas. A este proceso se le denomina curado y su temperatura aproximada es de 60°. Las grandes ventajas de este método de impresión son la alta resolución y precisión que alcanza. Es una gran opción para productos sanitarios que requieran alto nivel de detalle. Por el contrario, tiene un precio ligeramente elevado, aunque es más asequible que otro tipo de impresiones. Una desventaja es la necesidad de realizar el postprocesado (Valbuena-Niño et al., 2016). 88 Ilustración 103: Esquema de la técnica SLA. Fuente: (Valbuena-Niño et al., 2016) En la Tabla 2 se detallan las características de la impresora Form 3BL. Asimismo, en la Ilustración 104 se muestra una imagen de la propia impresora. Dimensiones 1050 x 900 x 1050 mm Peso 48 kg Volumen impresión 335 x 200 x 300 mm Temperatura funcionamiento 15 ºC - 35 ºC Número de láser 2 Potencia láser 250 mW Tabla 2: Características Form 3BL. Fuente: Propia. 89 Ilustración 104: Impresora Form 3BL. Fuente: (FormLabs, 2020) 4.2. MODELADO POR DEPOSICIÓN FUNDIDA (FDM) El modelado por deposición fundida (FDM) o también denominado como fabricación con filamento fundido (FFF) es una de las técnicas más populares en el área de la impresión 3D. Este tipo de fabricación aditiva se basa en el uso de una bobina de filamento termoplástico (Ilustración 105). Dicho filamento se calienta hasta llegar a un estado semilíquido. Una vez en este estado, el material se va depositando a través de un extrusor sobre la plataforma. Dicho extrusor realiza los desplazamientos en el plano XY. Una vez depositada la capa, la plataforma varía su altura y se deposita la siguiente capa. El proceso se repite hasta que se fabrique el modelo. Algunas impresoras contienen diversos extrusores que permiten la impresión en distintos materiales. Esto es útil cuando el modelo necesite soportes para su impresión. Los termoplásticos más comunes en este método de fabricación aditiva son el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y el ácido poliláctico (PLA) (Cano Vicent & Serrano Aroca, 2021). La principal ventaja del método FDM es su bajo coste, tanto en las impresoras 3D como en el material. El postprocesado consiste en la eliminación de los soportes y en un posible lijado del material. Para su eliminación, el material de los soportes es soluble en agua, por lo que bastará con sumergir el modelo en agua y esperar a que los soportes desaparezcan. 96 COSTE SERVICIO Precio total Impresión 100 € SUBTOTAL 100 € 21% I.V.A 21 € TOTAL 121 € Tabla 6: Coste servicio. Fuente: Propia. COSTE ELÉCTRICO Precio electricidad Consumo Tiempo Precio total HP Envy 14-eb1002ns 0,2145 €/kWh 0,135 kW 190 h 5,50 € SUBTOTAL 5,50 € 5% I.V.A 0,28 € TOTAL 5,78 € Tabla 7: Coste eléctrico. Fuente: Propia. El coste total del proyecto, con I.V.A incluido, asciende a una cantidad de 6.033,87 €. 97 6. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS Acto seguido al desarrollo del presente trabajo, se exponen las conclusiones en cuanto al proceso a seguir para la elaboración de modelos anatómicos de aneurismas de aorta mediante impresión 3D y unas posibles líneas de futuro. 6.1. CONCLUSIONES En relación con la obtención del modelo, tras la primera comparación realizada cualitativamente de modelos de aneurisma de aorta logrados mediante los programas de 3D Slicer e ITK-Snap, se alcanzan dos conclusiones iniciales. La primera de ellas es la obtención de mejores resultados en los modelos sin suavizar realizados con 3D Slicer frente a los realizados con ITKSnap. Una vez ejecutado el suavizado de la superficie con los programas de edición de malla, se procede a la comparación de los modelos anteriores y posteriores a dicha operación, concluyendo así con la necesidad de aplicar un postprocesado de malla, ya que se produce la eliminación total o parcial de las irregularidades de la superficie de los modelos propuestos. 98 3D Slicer ITK-Snap Número módulos Varios módulos Módulo segmentación Usabilidad de la interfaz Compleja Sencilla Precisión Alta Alta Rapidez Media Alta Coste Código abierto y gratuito Código abierto y gratuito Tiempo empleado Alto Bajo Métodos Manual ❖ Pintar ❖ Dibujar ❖ Borrar Semiautomático ▪ Grow from seeds ▪ Level tracing ▪ Thresholding ▪ Islands Manual ❖ Pincel ❖ Polígono ❖ Borrar Semiautomático ▪ Snake o Thresholding o Classification o Edge Attraction Tabla 8: Comparación 3D Slicer e ITK-Snap. Fuente: Propia. A la hora de decidir cuál será el programa de segmentación elegido para este proceso, se plantea un balance de argumentos (Tabla 8). En primer lugar, cabe destacar como afirmación más importante que los resultados obtenidos en relación a la continuidad de la superficie con los programas 3D Slicer e ITK-Snap son muy buenos, siempre y cuando se realice el postprocesado de malla abordado anteriormente. No obstante, es necesario resaltar la eliminación de todas las irregularidades con el uso del programa ITKSnap. En cuanto a la comparación de los diámetros máximos de cada modelo, 99 ambos programas ofrecen resultados similares, aunque el ITK-Snap genera un porcentaje menor frente al 3D Slicer. Respecto a la interfaz y manejo de cada uno de los dos softwares, existen distintos enfoques. Por una parte, el programa 3D Slicer es un software mucho más completo que contiene numerosas herramientas para hacer frente a la segmentación semiautomática de diversas maneras. Además, permite al usuario personalizar la interfaz y hace uso de multitud de colores, facilitando considerablemente la navegación por la citada interfaz. Adicionalmente, existe la posibilidad de editar el modelo en su vista 3D. Por otra parte, el programa ITK-Snap cuenta con una interfaz mucho más sencilla y con una única herramienta de segmentación semiautomática. Dicha herramienta, denominada Snake, es un recurso muy sencillo de aplicar, ya que guía al usuario en los pasos a seguir. Todo ello proporciona un aumento en la rapidez en el proceso de segmentación y reduce el tiempo empleado en el aprendizaje del uso del software. Como conclusión, se opta por la elección del programa ITK-Snap, puesto que, aunque el programa tenga menos herramientas con las que abordar la segmentación, los modelos anatómicos de aneurisma de aorta tienen únicamente un fin didáctico, por lo que no es necesaria una precisión milimétrica. ITK-Snap logra muy buenos resultados en un menor tiempo de segmentación y de familiarización con el software. En cuanto a los programas de postprocesado, se da preferencia al uso del programa MeshLab respecto a Meshmixer, puesto que la operación de smoothing se aplica de un modo notablemente más regular y uniforme a lo largo de la superficie. Asimismo, el comando en MeshLab se ejecuta automáticamente, lo que disminuye en gran medida el tiempo de postprocesado. Meshmixer MeshLab Proceso Manual Automático Superficie Irregular Regular y uniforme Tiempo empleado Alto Bajo Tabla 9: Comparación Meshmixer y MeshLab. Fuente: Propia. En relación con la fabricación del modelo anatómico 3D, se puede ver en la Tabla 10, que la estereolitografía (SLA) es un método que consigue 100 mejores resultados en cuanto a la resolución, la precisión y el nivel de detalle, frente a los resultados logrados mediante modelado por deposición fundida (FDM). En el caso de los modelos anatómicos de aneurisma de aorta, dichos factores no son extremadamente importantes, puesto que la función didáctica que tienen que desempeñar se puede cumplir con una resolución, precisión y nivel de detalle un poco más bajos, ahorrando así, una cantidad notable en los costes. Teniendo en cuenta que los modelos anatómicos persiguen un fin didáctico, el método de impresión 3D seleccionado es el modelado por deposición fundida. Esta elección se debe mayoritariamente a una cuestión económica, ya que, como se puede observar en la Tabla 11 la impresora 3D y el material utilizado (PLA) del método FDM son mucho más económicos que la impresora y el material utilizado en SLA. FDM SLA Resolución Media Alta Precisión Media Alta Nivel de detalle Medio Alto Diseño Básico Complejo Facilidad uso Buena Buena Rapidez Alta Media Tabla 10: Comparación métodos de impresión 3D. Fuente: Propia. 101 FDM SLA Volumen de impresión Ø400 mm x h670 mm 335 x 200 x 300 mm Precio de impresora 13.750 16.000 € Materiales Termoplástico PLA Resina Estándar Form 3 Precio material 26 €/kg 163,35 €/litro Aplicaciones ▪ Prototipado de bajo coste ▪ Piezas sencillas ▪ Prototipado de alto nivel de acabado ▪ Piezas complejas Tabla 11: Comparación de métodos de impresión. Fuente: Propia. Como resultado final, en la Ilustración 107 se puede observar el proceso de impresión 3D que sigue cada uno de los modelos. Arriba a la izquierda, se muestra el comienzo del proceso, en el cual la máquina ha depositado las primeras capas de material. Abajo a la izquierda se muestra el modelo en una fase más avanzada del proceso, donde se ve claramente el uso de los dos tipos de materiales: PLA (material del modelo) y PVA (material utilizado de soporte para la pieza). Por último, en la parte de la derecha se visualiza el modelo final tras finalizar el proceso de impresión. 102 Ilustración 107: Proceso de impresión 3D del modelo anatómico de aneurisma de aorta. Fuente: Propia. Para finalizar, se exponen los objetivos académicos desarrollados durante el Trabajo de Fin de Grado. En primer lugar, se ha desarrollado la capacidad para la adquisición de nuevos métodos y teorías gracias a la profunda investigación y búsqueda de información en relación al contenido a desarrollar. En segundo lugar, se ha desarrollado la capacidad para aplicar los principios y métodos de calidad, es decir, se han utilizado distintas técnicas y conocimientos en relación a la gestión de calidad. Dicha capacidad se ha obtenido a la hora de realizar la elección de los distintos programas de segmentación, programas de postprocesado y tipos de impresión 3D, cuyo fin era la elaboración de modelos anatómicos capaces de cumplir una finalidad didáctica. Para continuar, se ha desarrollado la capacidad de resolución de problemas con iniciativa y razonamiento crítico debido a los diversos errores emergentes en el uso de los distintos programas. Para finalizar, se ha llevado a cabo y redactado individualmente el Trabajo de Fin de Grado en el área de la rama de Ingeniería Mecánica. 103 6.2. LÍNEAS FUTURAS Atendiendo a las líneas futuras que podría seguir este trabajo se encuentra la investigación de nuevos programas de segmentación cuyo objetivo sea obtener modelos más ajustados a las imágenes DICOM, es decir, reducir el porcentaje de error generado, así como su automatización. Por otro lado, sería interesante realizar una ampliación en la base de datos de los aneurismas de aorta abdominal (AAA), incluyendo por ejemplo las disecciones aórticas (DA) (Zorrilla et al., 2020) o los aneurismas de aorta torácica (AAT). También podrían incorporarse otro tipo de patologías (Soudah et al., 2014). Una vez obtenidos los modelos anatómicos, se podrían cotejar los resultados con médicos para incorporar nuevas mejoras de cara a la práctica clínica (Nieto-Palomo et al., 2021; Alonso et al., 2016). Adicionalmente, aunque hoy en día existan hospitales que implementen la tecnología 3D, se abre la posibilidad de valorar la creación de un departamento de elaboración de modelos 3D (obtención e impresión 3D) en la Universidad de Valladolid en colaboración con el Hospital Clínico de Valladolid, cuyo objetivo sea ofrecer al colectivo médico un servicio de bajo coste. En cuanto a los materiales utilizados en la tecnología 3D, existiría la posibilidad de estudiar otro tipo de materiales para mejorar la resolución de los modelos con el objetivo de utilizar dichos modelos para un fin experimental/numéricos, como podría ser la velocimetría de imagen de partículas (PIV). En relación al coste del proceso, se estudiaría su optimización en el procedimiento de impresión 3D. 104 105 7. 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