Herramientas digitales para el sector médico

Geomagic Freeform Plus es un programa híbrido de diseño orgánico que proporciona la flexibilidad y las ventajas de trabajar simultáneamente con los distintos paradigmas de modelado digital como son las superficies (NURBS), sólidos, mallas poligonales, subdivisiones de superficies (SubD) y vóxeles (arcilla virtual) lo que permite abordar y resolver tareas complejas de la mano de un completo conjunto de herramientas y funcionalidades.

Esta interoperabilidad se ha creado expresamente para llevar los diseños a producción, por lo que gestiona un amplio número de formatos de archivos 3D de importación y exportación tales como STL, OBJ, PLY, IGES, STEP, otros formatos neutros y compatibles con otros formatos CAD, así como, desde el pasado enero, la importación directa de algunos archivos DICOM.

Pero por lo que realmente despunta Freeform es por el desarrollo del sistema vóxel y todas las posibilidades de diseño orgánico que ello ofrece.

El vóxel (VOlumetric Picture ELement) es la unidad cúbica mínima procesable de una matriz tridimensional. Cada vóxel representa el volumen del objeto en un punto determinado. Así como un píxel es la unidad básica de una imagen digitalizada en pantalla a la que se le atribuye un color determinado y forma parte de un ráster, de una cuadrícula, el vóxel, lo es en el ámbito tridimensional. Son como píxeles volumétricos, espaciados en una cuadrícula regular situada en un espacio tridimensional. Los vóxeles pueden tener cualquier forma y tamaño, pero deben tener la misma. El tamaño de los mismos responde a la resolución (en mm) del modelo. A mayor resolución (menor tamaño del vóxel), mayor nivel de detalle.

Ejemplo de diseño de férula para un brazo en tres secuencias.

Contrariamente como ocurre con la malla poligonal o las superficies, con los vóxeles no existen límites matemáticos lo que permite tratar el archivo como si fuera un bloque de arcilla. De esta manera es posible crear, detallar y dar forma de una manera rápida, sencilla y eficaz a cualquier archivo digital. La malla poligonal viene a ser una piel, una capa superficial sin grosor formada por triángulos. Vacía en su interior cuando el modelo corresponde a una geometría cerrada. Un archivo convertido a arcilla virtual, al sistema de vóxeles, genera un modelo macizo a partir de los triángulos que lo componen. La consecuencia de ello es la versatilidad y flexibilidad con la que este sistema responde a deformaciones, esculpidos, extrusiones, cortes, estampaciones en bajo y alto relieve de imágenes y texto y demás acciones.

Freeform aborda una amplia gama de aplicaciones y es partícipe del proceso productivo en diferentes industrias como odontología, calzado, juguetes, escultura, joyería, confitería, cerámica, artículos deportivos, artículos del hogar, entre otros.

En el sector salud, que es el que nos atañe, destaca por:

• la transformación de la tradicional producción manual de órtesis y prótesis al flujo de trabajo digital,
• El diseño de órtesis y prótesis altamente personalizados, mejor ajustadas, más livianas y fuertes,
• La creación de implantes médicos personalizados con estructuras reticulares,
• La creación de guías quirúrgicas,
• El estudio y ensayo de intervenciones quirúrgicas

y demás diseños. Todos ellos listos para la fabricación a partir de los distintos formatos de archivos comentados anteriormente. Porque Freeform Plus permite identificar y resolver posibles problemas de fabricación en las fases iniciales del proceso de diseño para mantener el control artístico y evitar sorpresas y descuidos costosos durante la producción. Freeform dispone de herramientas de análisis previos a la impresión para garantizar que la pieza se imprima correctamente en el primer intento.

Ligadas a estas funciones de análisis de impresión 3D encontramos el completo conjunto de herramientas StructureFX que pone en las manos del usuario la libertad para crear estructuras reticulares complejas (o Lattice Structures), en la totalidad del modelo o en áreas seleccionadas, a partir de, o bien, patrones prestablecidos, o bien, personalizados logrando, de esta manera, diseños estéticos, ligeros y menos costosos.

Siguiendo en la línea de la reproducción de patrones encontramos dos herramientas que se complementan. El Axis Marker y Pattern Piece.

El Axis Marker consiste en generar marcadores axiales, que se traducen a curvas 3D cuya tangencia puede venir definida por la normal de la superficie, cualquiera de los ejes XYZ, la vista en la que nos encontremos, … Este marcador axial, esta curva, tiene una dirección, y ésta será la referencia para posicionar el patrón a replicar. Estos marcadores pueden disponerse manualmente, a lo largo de una curva previamente dibujada o partir de un esbozo. Lo interesante es que Freeform permite establecer el número de marcadores axiales que desees estando, los unos de los otros, a una distancia variable u homogénea.

Posteriormente, mediante la herramienta Pattern Piece, se hace la selección del patrón y de cada uno de los marcadores axiales donde reproducir dicho patrón con la tangencia prestablecida.

Una potente función de deformación que ofrece Freeform es Bend&Twsit, de gran utilidad para modificar desviaciones o posturas que sufra el paciente y continuar trabajando desde la posición corregida. Sencillamente consiste seleccionar un área, editable, que será la región (remarcada en color verde) a través de la cual se accionan los movimientos de flexo-extensión y torsión de forma libre haciendo uso de los ejes que brotan del widget o estableciendo numéricamente los grados de flexión y/o torsión.

Aunque, el máximo provecho del software se extrae con el modelo en arcilla, Freeform dispone, además, de herramientas propias CAD con las que generar sólidos o superficies de manera automática o partiendo de esbozos parametrizados. Así mismo, ofrece la alternativa de convertir a arcilla el área del sólido o malla que interesa trabajar y reconvertirla de nuevo al sistema previo, con tal de conservar el máximo de detalle e información del modelo original, optimizar el flujo de trabajo y maximizar los tiempos de producción.

Y hablando de maximizar tiempos tenemos los Dynabots. Los Dynabots son un sistema de semiautomatización de tareas potente y flexible que funciona con clics, en vez de con códigos, de modo que no es necesario conocimientos de programación para crearlos. Es tan sencillo como registrar el proceso de creación, editarlo y aplicar ciertas condiciones, órdenes y valores y exportarlo para compartirlo. Desde macros simples hasta asistentes interactivos sofisticados con interfaces a medida (algo así como un Wizard) que pueden automatizar casi cualquier flujo de trabajo en Freeform Plus.

De cara a favorecer la interoperabilidad y comunicación entre profesionales del sector y que exista un flujo de información visualmente propicio y cómodo, cuenta, por un lado, con herramientas de corte 2D que permiten inspeccionar de manera dinámica e interactiva secciones transversales del modelo para identificar vacíos, evitar colisiones, validar especificaciones de separación, … así como para extraer pilas de imágenes basadas en cortes o curvas de perfil. Y, por otro lado, cuenta con Freeform Viewer, un visor independiente con el que cualquier usuario puede visualizar el modelo dentro de la interfaz de Freeform y hacer uso de sencillas herramientas de visualización, zoom, giro, movimiento panorámico, medición y corte.

Para brindar una gran libertad de expresión y una experiencia de modelado más rápida en un entorno virtual, Freeform funciona con los dispositivos hápticos Touch y Touch X.

Un dispositivo háptico es como un ratón 3D. Proporciona al usuario la habilidad de tocar, manipular y mover los modelos alrededor de un entorno digital tridimensional.

Se tratan de dispositivos motorizados que aplican retroalimentación de fuerza a la mano del usuario lo que permite sentir objetos virtuales y producir sensaciones táctiles reales a medida que manipula los objetos 3D en la pantalla.

Esta tecnología ofrece una forma más intuitiva, flexible y orgánica de interactuar con los diseños 3D, reduce el tiempo de aprendizaje, acelera el proceso de diseño y ofrece datos en 3D de excelente calidad.

Podría considerarse una herramienta esencial para llevar a cabo una planificación quirúrgica virtual la cual proporciona al cirujano una visualización clara en 3D de la anatomía del paciente para desa-rrollar un correcto plan quirúrgico con el tacto exacto y las sensaciones reales antes de acceder al entorno clínico.

Geomagic Freeform incorpora el kit de herramientas Geomagic OpenHaptics Developer Edition que permite a los desarrolladores de software incorporar tecnología háptica y navegación 3D real con las que crear un entorno médico simulado completamente inmersivo para el estudio, ensayo y planteamiento de la operación y procedimientos quirúrgicos, así como del desarrollo de las habilidades y memoria muscular. Este kit de herramientas hápticas se basa en la API de OpenGL® (Interfaz de programación de aplicaciones con un código del procesamiento de las funciones y comportamientos de los comandos estándar) que los programadores gráficos pueden aprovechar para crear, renderizar e integrar una biblioteca de geometrías y complementarlo con los comandos de OpenHaptics para imitar las propiedades mecánicas y físicas de modelos virtuales tales como tejido humano, prótesis, elementos de anclaje, herramientas de corte o perforación, … De esta manera, el usuario percibe, a través de los DH conectados, los diferentes grados de rigidez, viscosidad, fricción, masa, amortiguación, … de cada elemento que conforma el escenario virtual, del mismo modo que es sensible a la fuerza constante ejercida y a la interacción y colisiones entre elementos con diferentes propiedades.

En definitiva, ofrece la posibilidad de abordar las patologías y cirugías realmente desafiantes desde cualquier perspectiva, con una alta fiabilidad sensorial y con la posibilidad de ensayar y compartir pareceres y experiencias entre expertos con tal de minimizar tiempos, errores, riesgos y costes y maximizar éxitos.