Sistema de posicionado geométrico virtual de modelos volumétricos de implantes aplicado a la simulación de intervenciones quirúrgicas en un entorno tridimensional de diseño asistido por ordenador

Resumen

Esta Tesis desarrolla una nueva metodología destinada a determinar la posición y orientación geométrica, en un espacio virtual de modelado tridimensional, de sistemas protésicos virtuales implantados en modelos óseos volumétricos, también virtuales. La metodología que se propone, proporciona una posición de referencia única y repetible de los modelos de implantes en el seno de modelos del tejido óseo. Esta metodología es aplicable, entre otros, a la simulación de intervenciones quirúrgicas virtuales del sistema músculo-esquelético en entornos tridimensionales estándar de diseño asistido por computador y a la realización de estudios del daño causado por implantes al organismo aplicando el Método de los Elementos Finitos. Los resultados de esta Tesis son aplicables a todo tipo de modelos de implantes, sin restricciones de diseño, que se alojen total o parcialmente en el interior de un modelo de hueso del sistema esquelético. Los modelos de implantes y de huesos susceptibles de utilizarse habrán de ser modelos de sólidos tridimensionales, de vóxeles en el caso específico de los modelos óseos. Para validar la metodología propuesta, esta se ha aplicado experimentalmente al estudio de la implantación de un vástago de prótesis de sustitución total de la articulación de la cadera. La metodología desarrollada se ha estructurado como un método algorítmico en lugar de basarse en modelos analíticos o numéricos, debido a la variabilidad estocástica que presenta uno de los dos modelos virtuales que intervienen: el modelo óseo. En efecto, el tejido óseo no presenta una morfología definible geométricamente, dado que la naturaleza genera dicho tejido de forma no determinista. Consecuentemente, cualquier modelo de hueso no es representable, de forma completa, mediante formas geométricas. En la investigación planteada en esta Tesis, se aplican modelos volumétricos discretizados de vóxeles hexaédricos regulares para representar, de forma aproximada, el tejido óseo. Pese a que los elementos discretos del modelo óseo están geométricamente determinados, su cuantía, su distribución espacial y el valor numérico de la densidad ósea asociado a cada vóxel, tiene variabilidad estocástica, por lo que no es factible encontrar una solución determinista o numérica del problema que se plantea. Para implementar la metodología de posicionado que se propone, se han empleado herramientas informáticas en un contexto poco habitual, con una aplicación innovadora de sus capacidades operativas. Así, puesto que los problemas a los que se pretende dar solución se desarrollan principalmente en el espacio de trabajo de un programa de Diseño asistido por Computador (CAD) en tres dimensiones ¿lo que se conoce como un espacio geométrico virtual-, se ha adaptado la metodología propuesta en esta Tesis para poder ser implementada en dicho tipo de espacio virtual.