Diseño y optimización de placas mandibulares personalizadas para grandes defectos óseos

Abstract

[ES] El presente TFG pretende conseguir el diseño de un implante mandibular personalizado para la restauración de grandes defectos óseos que permita la implementación de un método de optimización numérico. De esta manera se persigue desarrollar una metodología de diseño con una fase de optimización automatizada que adapte uno o más parámetros geométricos del implante a las características del material de este y de la geometría del diseño. Con ello, el objetivo es introducir avances en la línea terapéutica del uso de tecnologías CAD/CAM para el desarrollo de implantes y placas mandibulares artificiales, por fabricación aditiva. Todo ello para evitar la morbilidad de zonas donantes de tejido y la complejidad y el elevado tiempo quirúrgico propio de los tratamientos convencionales de reconstrucción de defectos segmentarios mandibulares. Para el abordaje de este objetivo, se ha dispuesto de tres herramientas software para el desarrollo de tres tareas prácticas principales, en las que ha sido dividido el presente TFG: i) se ha hecho uso de Solidworks Education Edition® para la tarea del diseño CAD del implante, ii) de Ansys Academic 19.0® para la elaboración del modelo de elementos finitos y el análisis estructural por el método de los elementos finitos, iii) y de Matlab® para la implementación del método de optimización numérica. Se ha dispuesto también, de datos, imágenes y resultados de análisis estructural por el método de los elementos finitos de implantes desarrollados en el Instituto de Biomecánica de Valencia siguiendo una metodología de diseño que ha sido referencia de diseño para el presente TFG y se ha empleado con carácter comparativo. Finalmente se ha conseguido diseñar un implante simplificado con una geometría más suave que en el caso de los implantes desarrollados por el Instituto de Biomecánica de Valencia. Por lo tanto, no se ha conseguido diseñar un implante para su fabricación y aplicación. Sin embargo, se ha desarrollado con éxito una metodología de optimización paramétrica que, utilizando el espesor de la placa como variable, puede llegar a ser de gran utilidad. A lo largo del trabajo se han ido comentando los diferentes inconvenientes que se han ido encontrando y en base a ellos se han propuesto líneas de trabajo orientadas a la consecución del objetivo principal del presente TFG.

[CA] El present TFG pretén aconseguir el disseny d'un implant mandibular personalitzat per a la restauració de grans defectes ossis que permeta la implementació d'un mètode d'optimització numèric. D'esta manera es perseguix desenrotllar una metodologia de disseny amb una fase d'optimització automatitzada que adapte un o més paràmetres geomètrics de l'implant a les característiques del material d'este i de la geometria del disseny. Amb això, l'objectiu és introduir avanços en la línia terapèutica de l'ús de tecnologies CAD/CAM per al desenvolupament d'implants i plaques mandibulars artificials, per fabricació additiva. Tot això per a evitar la morbiditat de zones donants de teixit i la complexitat i l’elevat temps quirúrgic propi dels tractaments convencionals de reconstrucció de defectes segmentaris mandibulars. Per a l'abordatge d'este objectiu, s'ha disposat de tres ferramentes software per al desenrotllament de tres tasques pràctiques principals, en les que ha sigut dividit el present TFG: i) s'ha fet ús de Solidworks Education Edition® per a la tasca del disseny CAD de l'implant, ii) d'Ansys Academic 19.0® per a l'elaboració del model d'elements finits i l'anàlisi estructural pel mètode dels elements finits, iii) i de Matlab® per a la implementació del mètode d'optimització numèrica. S'ha disposat també, de dades, imatges i resultats d'anàlisi estructural pel mètode dels elements finits d'implants desenrotllats en l'Institut de Biomecànica de València seguint una metodologia de disseny que ha sigut referència de disseny per al present TFG i s'ha empleat amb caràcter comparatiu. Finalment s'ha aconseguit dissenyar un implant simplificat amb una geometria més suau que en el cas dels implants desenvolupats per l'Institut de Biomecànica de València. Així, no s'ha aconseguit dissenyar un implant per a la seua fabricació i aplicació. Si bé s'ha desenrotllat amb èxit una metodologia d'optimització paramètrica que, utilitzant la grossària de la placa com a variable, pot arribar a ser de gran utilitat. Al llarg del treball s'han anat comentant els diferents inconvenients que s'han anat trobant i basant-se en ells s'han proposat línies de treball orientades a la consecució de l'objectiu principal del present TFG.

[EN] This TFG aims to get the design of a patient specific implant for large mandible bone defects restoration, which allows the implementation of a numerical optimization method. In this way, the aim is to develop a design methodology with an automated optimization phase to adapt one or more geometric parameters to the manufacturing material properties and to the geometrical features of the design. With this, the goal is to introduce advances in the therapeutic line of CAD/CAM technologies for the development of patient specific implants and mandibular plates, by additive manufacturing. All this to avoid the morbidity of tissue donor zones and the complexity and high surgical time typical of conventional treatments for large segmental mandibular defect restoration. To address this objective, three software tools have been provided for the development of three main practical tasks, in which the present TFG has been divided: i) Solidworks Education Edition® has been used for the CAD design task of the implant, ii) Ansys Academic 19.0® for the elaboration of the finite element model and the structural analysis by the finite element method, iii) and Matlab® for the implementation of the numerical optimization method. It has also been provided data, images and results of structural analysis by the finite element method of implants developed by the Institute of Biomechanics of Valencia following a design methodology that has been a design reference for this TFG and has been used with comparative character. Finally, it has been possible to design a simplified implant with a softer geometry than in the case of implants developed by the IBV. Therefore, it has not been possible to design an implant for its manufacture and application. However, a parametric optimization methodology has been successfully developed which, using the thickness of the plate as a variable, can be very useful. Throughout the TFG development, the different problems that have been found has been commented, and based on them, new work lines have been proposed aiming to achieve the main objective of this TFG.