PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
E DE MATERIAIS – PPGEM
ELIZEU GREBER FILHO
DESENVOLVIMENTO E FABRICAÇÃO DE MOLDES FLEXÍVEIS
(TPU) DE BAIXO CUSTO POR MANUFATURA ADITIVA PARA
PRODUÇÃO DE PRÓTESES CRANIANAS DE PMMA
DISSERTAÇÃO
CURITIBA
2019
DESENVOLVIMENTO E FABRICAÇÃO DE MOLDES FLEXÍVEIS
(TPU) DE BAIXO CUSTO POR MANUFATURA ADITIVA PARA
PRODUÇÃO DE PRÓTESES CRANIANAS DE PMMA
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Área de Concentração: Engenharia de Manufatura.
Orientador: Prof. Dr. José Aguiomar Foggiatto
Co-orientador: Prof. Dr. Walter Luís Mikos
CURITIBA
2019
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação
TERMO DE APROVAÇÃO DE DISSERTAÇÃO Nº 361
A Dissertação de Mestrado intitulada: DESENVOLVIMENTO E FABRICAÇÃO DE MOLDES
FLEXÍVEIS (TPU) DE BAIXO CUSTO POR MANUFATURA ADITIVA PARA PRODUÇÃO DE PRÓTESES CRANIANAS DE PMMA, defendida em sessão pública pelo Candidato Elizeu Greber Filho, no dia 13 de setembro de 2019, foi julgada para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia, área de concentração: Engenharia de Manufatura, e aprovada em sua forma final, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais – PPGEM.
BANCA EXAMINADORA:
Prof. Dr. José Aguiomar Foggiatto - Presidente - UTFPR Prof. Dr. Neri Volpato – UTFPR
Prof. Dr. Márcio Fontana Catapan - UFPR
A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.
Agradecer primeiramente a Deus pela oportunidade de realizar o mestrado e pelas conquistas alcançadas, agradecimentos à minha família pelo incentivo e compreensão da dedicação ao projeto e a todos que ajudaram de alguma forma na realização e êxito no mestrado.
Aos orientadores meu muito obrigado pela parceria e aprendizados! Ao orientador Prof. Dr. José Foggiatto pelo incentivo e disposição em atender em tudo que foi necessário para o trabalho: disponibilidade de equipamentos, espaço, material para impressão, material para a prótese, participação em congressos e a bolsa de estudos conquistada com muito esforço e dedicação. Além disso, sou grato pela experiência compartilhada e pelas sugestões para o projeto. Ao co-orientador Prof. Dr. Walter Mikos, agradeço pelo incentivo e continuidade na área acadêmica, pela oportunidade de trabalho na área médica, pela disposição de espaço e equipamentos, pela experiência compartilhada, sugestões para a melhoria do projeto e sequência do projeto com a abertura da empresa BIOPrototype.
Agradecimentos aos neurocirurgiões que me ajudaram nos testes e oportunidades de melhorias: Dr. Francisco Araújo do Hospital Evangélico que topou de imediato utilizar o molde, graças a esta grande parceria e apoio pudemos beneficiar os pacientes que necessitavam de uma prótese com qualidade. Além disso, fomos contemplados com uma impressora 3D no concurso do Instructables (Autodesk), a qual está disponível na UTFPR para o desenvolvimento de projetos. Agradecimento ao Dr. César Vinicius do Hospital do Trabalhador, graças ao nosso trabalho, tivemos o reconhecimento por parte da empresa Prati-Donaduzzi. Muito obrigado também à Dra. Tatiana Hertwig do Hospital Cajuru pela participação e ajuda para utilização do molde no estudo que envolveu pacientes necessitados de próteses cranianas.
À Prati-Donaduzzi, agradeço pela concessão da bolsa de mestrado e incentivo na continuidade do projeto, além da parceria formalizada com a UTFPR no Biopark de Toledo-PR. Graças aos orientadores, nosso trabalho alcançou tamanha importância e êxito!
Agradecimentos também aos amigos que ajudaram no sucesso do trabalho: muito obrigado à Profª. Dra. Juliana Kloss pelos esclarecimentos na parte química e
UTFPR pelo compartilhamento de experiência adquirida no programa GOM Inspect; ao estagiário Marcel Eiji do NUFER (Núcleo de Manufatura Aditiva e Ferramental), pela ajuda na montagem do equipamento Anet A8 fundamental para o projeto; ao estagiário do NUFER e graduando de Medicina, Giovani Yuji Capellari pelo auxílio no andamento e compartilhamento de melhorias para o trabalho; aos mestrandos Marcelo Okada S., Jéssica Hensen que também ajudaram e a todos os parceiros do laboratório do LAMEC e do NUFER. Agradecimentos também à Prof. Daphene Solis pelos conselhos e ajuda, muito obrigado à Profª. Maria das Graças Pelisson do DAMEC pela ajuda e pelos artigos produzidos no decorrer do período. Muito obrigado também ao doutorando Antonio Verguetz.
Agradecimentos também as amizades feitas no decorrer do mestrado, Ederson Carvalhar Fernandes, Roberto S. Sato, Fabio Nucini, Kellen Santos, entre outros.
Muito obrigado ao Reitor da UTFPR Luiz Alberto Pilatti e a vice-reitora Vanessa Ishikawa Rasoto pelo apoio e incentivo no mestrado e à BIOPrototype – ao Guilherme Bonafini e Victor Beltrão pelo apoio em disponibilizar essas soluções a quem mais precisa! Agradeço também ao pessoal da incubadora de inovações da UTFPR, a Prof. Silvana Weber, ao Maico Ornelas e à Prof. Maria Lucia de Meza!
GREBER FILHO, Elizeu. Desenvolvimento e fabricação de moldes flexíveis (TPU) de baixo custo por manufatura aditiva para produção de próteses cranianas de PMMA. 2019. 190 f. Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Curitiba, 2019.
Os defeitos cranianos são consequência de traumas, tumores, infecções, ou procedimentos de descompressão cerebral. Na maioria dos casos, pode ser necessária uma cirurgia corretiva craniana, denominada Cranioplastia. O SUS (Sistema Único de Saúde) disponibiliza o procedimento mais simples de Cranioplastia, através da moldagem manual durante a cirurgia. Esse processo é demorado, expondo o paciente a riscos de infecção e o resultado estético dependerá da habilidade do médico. O presente estudo apresenta as etapas do desenvolvimento de uma solução que visa a produção de próteses cranianas customizadas em PMMA (Polimetilmetacrilato). Essa solução se baseia num molde flexível em TPU (Poliuretano Termoplástico) fabricado com custo acessível por Manufatura Aditiva (AM), pelo qual, mediante conformação por prensagem, é confeccionada uma prótese que pode servir à Cranioplastia. A partir da aquisição dos dados tomográficos de pacientes, é realizada a reconstrução dos modelos virtuais 3D, posteriormente são impressos os protótipos da geometria da prótese e do contorno da falha para verificação preliminar. Em seguida, o molde é modelado e fabricado por AM para a confecção da prótese em PMMA. Além disso, o trabalho apresenta uma análise detalhada, a partir da digitalização 3D das próteses moldadas e posterior avaliação dimensional no programa GOM Inspect, os resultados apontam desvio dimensional entre 0,16 mm e 0,43 mm. Ao final do trabalho, foram calculados os custos principais do processo, estimados em 168 dólares, atestando sua viabilidade.
Palavras-chave: cranioplastia; prótese craniana; molde; TPU; Manufatura Aditiva; PMMA; dados de tomografia.
GREBER FILHO, Elizeu. Development and manufacture of low cost flexible molds (TPU) by additive manufacture for production of cranial PMMA prostheses. 2019. 190 f. Dissertation, Post-Graduate Program in Mechanical Engineering, Federal Technological University of Paraná - UTFPR, Curitiba, 2019.
Cranial defects result from trauma, tumors, infections, or decompression procedures. In most cases, a corrective cranial surgery called Cranioplasty may be required. The SUS (Unified Health System) provides the simplest Cranioplasty procedure, through manual molding during surgery. This process is time consuming, exposing the patient to risks of infection, and the aesthetic outcome will depend on the physician's ability. The present study presents the stages of the development of a solution aimed at the production of customized cranial prostheses in PMMA (Polymethyl methacrylate). This solution is based on a flexible TPU (Thermoplastic Polyurethane) mold that is cost-effectively manufactured by Additive Manufacturing (AM), whereby, by press forming, a prosthesis can be made that can be used for Cranioplasty. From the acquisition of tomographic data of patients, the reconstruction of the 3D virtual models is performed, later the prototypes of the prosthesis geometry and the fault contour are printed for preliminary verification. Next, the mold is modeled and manufactured by AM for PMMA prosthesis fabrication. In addition, the work presents a detailed analysis, from the 3D digitization of the molded prostheses and subsequent dimensional evaluation in the GOM Inspect program, the results show a dimensional deviation between 0.16 mm and 0.43 mm. At the end of the work, the main costs of the process, estimated at US$ 168, were calculated, attesting its feasibility.
Keywords: cranioplasty; cranial prosthesis; mold; TPU; Additive Manufacturing; PMMA; tomography data.
FIGURA 1 – CRANIOPLASTIA ... 25
FIGURA 2 - ESTRUTURA DO MÉTODO DE PESQUISA DSR ... 31
FIGURA 3 – CRANIOPLASTIA: PROCEDIMENTO CIRÚRGICO PARA RESTAURAR A PROTEÇÃO CRANIOCEREBRAL ... 32
FIGURA 4 – CRANIOPLASTIA PARA RESTAURAR A PROTEÇÃO CRANIOCEREBRAL ... 32
FIGURA 5 – CRANIOPLASTIA PARA REPARAÇÃO SIMPLES ... 32
FIGURA 6 – EXEMPLO DE PLACA DE TITÂNIO EM UM CRÂNIO PROTOTIPADO ... 33
FIGURA 7 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO PROCESSO DE AM POR EXTRUSÃO DE MATERIAL ... 35
FIGURA 8 – PRINCÍPIO DE EXTRUSÃO DE MATERIAL: ALIMENTAÇÃO POR FILAMENTO ... 36
FIGURA 9 – FORMA UTILIZADA PARA CONFECÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA EM CIMENTO ÓSSEO ... 37
FIGURA 10 – IMPLANTE EM PEEK PARA CORREÇÃO DE DEFORMIDADE CRANIANA ... 38
FIGURA 11 – ANTES E DEPOIS - CORREÇÃO COM IMPLANTE DE PEEK... 38
FIGURA 12 – BIOMODELO UTILIZADO NA CONFECÇÃO DE PRÓTESES EM PMMA ... 39
FIGURA 13 – PROCESSO DE FABRICAÇÃO HÍBRIDO PARA CRANIOPLASTIA . 40 FIGURA 14 – CONTORNO DA FALHA CRANIANA E PRÓTESE ... 40
FIGURA 15 – MOLDE PARA CONFECÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA ... 41
FIGURA 16 – PRÓTESE CRANIANA BI-FRONTAL DE PEEK... 45
FIGURA 17 – ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DA TC ... 46
FIGURA 18 – ARQUIVO DICOM DO CRÂNIO A PARTIR DE TC ... 47
FIGURA 19 – ETAPAS DE FABRICAÇÃO DE UMA PRÓTESE ... 48
FIGURA 22 – MODELO 3D DO CRÂNIO GERADO NO PROGRAMA INVESALIUS
... 50
FIGURA 23 – ENERGIA DA SUPERFÍCIE NOS POLÍMEROS ... 51
FIGURA 24 – ILUSTRAÇÃO DO ACOPLAMENTO MECÂNICO ENTRE DOIS SUBSTRATOS ... 52
FIGURA 25 – TIPOS DE MOLDES PARA CRANIOPLASTIA ... 53
FIGURA 26 – REPRESENTAÇÃO 3D DO MOLDE DE GESSO COM O AUXÍLIO DA USINAGEM ... 54
FIGURA 27 – MÉTODO UTILIZADO PARA A FABRICAÇÃO DO MOLDE ... 55
FIGURA 28 – FORMA PARA CONFECÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA ... 56
FIGURA 29 – TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA DO ANTES E DEPOIS COM O IMPLANTE FIXADO ... 57
FIGURA 30 – FOLHA DE PP FABRICADA POR TERMOFORMAGEM ... 58
FIGURA 31 – DISPOSITIVO UTILIZADO PARA CONFECCIONAR A PRÓTESE ... 58
FIGURA 32 – FORMA IMPRESSA EM PLA E PREENCHIDA COM A PRÓTESE EM PMMA ... 59
FIGURA 33 – CONFECÇÃO DA PRÓTESE BIOCOMPATÍVEL ... 60
FIGURA 34 – TRABALHO DE MODELAGEM 3D ... 61
FIGURA 35 – MODELAGEM DO MOLDE VIA PROGRAMA MAGICS ... 62
FIGURA 36 – CONFECÇÃO DA PRÓTESE CRANIANA COM MOLDE NA CIRURGIA ... 63
FIGURA 37 - ESBOÇO DO PROCESSO CAI ... 66
FIGURA 38 - MAPAS DE CORES DOS DESVIOS GEOMÉTRICOS ... 67
FIGURA 39 – PROCEDIMENTOS PARA PRÓTESES CRANIANAS ... 70
FIGURA 40 – ARQUIVO DICOM PARA FORMAR UM CRÂNIO EM 3D... 72
FIGURA 41 - REPRESENTAÇÃO DO MÉTODO DE CONVERSÃO DOS ARQUIVOS DE TC EM 3D ... 72
PARTIR DE TCs ... 74 FIGURA 45 – TÉCNICA DE ESPELHAMENTO E ARQUIVO 3D COM CAMADAS SEPARADAS ... 75 FIGURA 46 – CARACTERÍSTICAS DA PRÓTESE CRANIANA E ENCAIXE
ADEQUADO ... 76 FIGURA 47 - ESPECIFICAÇÕES DO MOLDE ... 79 FIGURA 48 – REALIZAÇÃO DO TESTE DE ADESÃO QUÍMICA COM MOLDES E PMMA ... 80 FIGURA 49 – VERIFICAÇÃO DE ADESÃO QUÍMICA COM MOLDES E PMMA ... 81 FIGURA 50 – DIFERENÇA DE ACABAMENTO E EFEITO ESCADA NA
IMPRESSÃO 3D ... 83 FIGURA 51 – ACABAMENTO NO MOLDE IMPRESSO EM 3D ... 84 FIGURA 52 - PRÉ-FORMA ... 85 FIGURA 53 – CIMENTO ORTOPÉDICO UTILIZADO PARA A CONFECÇÃO DAS PRÓTESES ... 86 FIGURA 54 - COMPONENTES NECESSÁRIOS PARA A CONFECÇÃO DA
PRÓTESE EM PMMA ... 87 FIGURA 55 – FORMA COMO DEVE SER PREENCHIDO O MOLDE COM PMMA 88 FIGURA 56 – PREPARAÇÃO DO PMMA E CONFECÇÃO DA PRÓTESE COM O MOLDE ... 89 FIGURA 57 - VARIAÇÃO E CÁLCULO DE VOLUME DO PMMA ... 90 FIGURA 58 - COMPARAÇÃO DE PRÓTESES IMPRESSAS EM PLA COM
PRÓTESES OBTIDAS POR MOLDES EM PMMA ... 91 FIGURA 59 - MEDIÇÕES DAS PRÓTESES ... 92 FIGURA 60 - MOLDE FLEXÍVEL IMPRESSO PARA O CORPO DE PROVA ... 93 FIGURA 61 - DIMENSÕES DO CORPO DE PROVA E PARTE INTERNA DO
MOLDE ... 93 FIGURA 62 - DIGITALIZAÇÃO 3D DAS PRÓTESES COM EQUIPAMENTO NEXT ENGINE 3D ... 94
FIGURA 64 - ESPECIFICAÇÕES PARA O PROGRAMA SCANSTUDIO –
DIGITALIZAÇÃO 3D ... 96 FIGURA 65 - ANÁLISE DA PRÓTESE DIGITALIZADA E EM FORMATO 3D VIA PROGRAMA GOM ... 96 FIGURA 66 - RECONSTRUÇÕES CRANIANAS E FALHAS DOS 5 ESTUDOS DE CASO ... 98 FIGURA 67 - RESULTADOS APÓS MODELAGEM 3D DAS PRÓTESES
CRANIANAS ... 99 FIGURA 68 - CONJUNTO DE ARTEFATOS PARA CADA ESTUDO DE CASO (EM ORDEM DE EXECUÇÃO) ... 99 FIGURA 69 - VERIFICAÇÃO DOS PROTÓTIPOS FÍSICOS - ENCAIXE DAS
PRÓTESES E CONTORNOS DE FALHAS ... 100 FIGURA 70 - MODELAGEM 3D DOS MOLDES PARA PRÓTESES CRANIANAS 101 FIGURA 71 - PROCEDIMENTO DE IMPRESSÃO 3D DOS MOLDES ... 102 FIGURA 72 - FABRICAÇÃO POR AM DAS PRÉ-FORMAS ... 103 FIGURA 73 - CONFECÇÃO DA PRÓTESE EM PMMA NO MOLDE E TESTE DE ENCAIXE... 104 FIGURA 74 - PRÓTESES RESULTANTES PRONTAS PARA A DIGITALIZAÇÃO 3D ... 104 FIGURA 75 - ANÁLISE DIMENSIONAL DA PRÓTESE P1 NO PROGRAMA GOM INSPECT ... 106 FIGURA 76 – DETALHES NA SUPERFÍCIE DA PRÓTESE DIGITALIZADA – P1 . 106 FIGURA 77 - ANÁLISE DIMENSIONAL DA PRÓTESE P2 NO PROGRAMA GOM INSPECT ... 107 FIGURA 78 - ANÁLISE DIMENSIONAL DA PRÓTESE P3 NO PROGRAMA GOM INSPECT ... 108 FIGURA 79 - ANÁLISE DIMENSIONAL DA PRÓTESE P4 NO PROGRAMA GOM INSPECT ... 108 FIGURA 80 - ANÁLISE DIMENSIONAL DA PRÓTESE P5 NO PROGRAMA GOM INSPECT ... 109
FIGURA 82 – IMPORTAÇÃO DOS ARQUIVOS DICOM NO INVESALIUS 3 ... 123
FIGURA 83 – CRIAÇÃO DA SUPERFÍCIE DO OSSO NO INVESALIUS 3 ... 124
FIGURA 84 – CONFIGURAÇÃO DA SUPERFÍCIE 3D NO INVESALIUS 3 ... 124
FIGURA 85 – EXPORTAÇÃO DO ARQUIVO 3D EM STL NO PROGRAMA INVESALIUS 3 ... 125
FIGURA 86 – USO DA FERRAMENTA DE SELEÇÃO E COMANDO DELETE NO MESHMIXER ... 126
FIGURA 87 – ALINHAMENTO DO CRÂNIO NO MESHMIXER ... 127
FIGURA 88 – CÓPIA DO OBJETO (CRÂNIO) E JANELA OBJECT BROWSER NO MESHMIXER ... 127
FIGURA 89 – SIMPLIFICAÇÃO DA GEOMETRIA CRANIANA COM FERRAMENTA DE CORTE ... 128
FIGURA 90 – TÉCNICA DE ESPELHAMENTO NO MESHMIXER PARA FALHA CRANIANA LATERAL ... 129
FIGURA 91 – EDIÇÃO DA PRÓTESE PARA COINCIDIR COM O TAMANHO DA FALHA ... 129
FIGURA 92 – GERAÇÃO DA ESPESSURA PARA A PRÓTESE CRANIANA ... 130
FIGURA 93 – SUAVIZAÇÃO DE SUPERFÍCIE DA PRÓTESE CRANIANA ... 131
FIGURA 94 – OPERAÇÃO BOOLEANA “DIFFERENCE” NO BLENDER 3D ... 131
FIGURA 95 – REGIÕES CORRIGIDAS COM A FERRAMENTA SCULPT NO MESHMIXER ... 132
FIGURA 96 – SEPARAÇÃO DO CONTORNO DA FALHA CRANIANA COM FUNÇÃO SEPARATE ... 133
FIGURA 97 – VISTA DE TOPO PARA OS AJUSTES FINAIS DO PROTÓTIPO DA PRÓTESE ... 133
FIGURA 98 – SEPARAÇÃO DO CONTORNO DA FALHA E GERAÇÃO DA ESPESSURA ... 134
FIGURA 99 – OPÇÃO PARA EXPORTAR O ARQUIVO STL DO CONTORNO DA FALHA ... 134
FIGURA 101 - REDEFINIÇÃO EM MACHO E FÊMEA E FUNÇÃO FLIP NORMALS ... 136 FIGURA 102 - EXTRUSÃO DAS BORDAS NO BLENDER 3D ... 136 FIGURA 103 - EXTRUSÃO DAS PARTES MACHO E FÊMEA ... 137 FIGURA 104 – PARTES DO MOLDE UNIDAS COM A BASE DE 4 MM DE
ESPESSURA ... 138 FIGURA 105 – PARTES DO MOLDE COM A BASE DE 4 MM DE ESPESSURA NO
MESHMIXER ... 138
FIGURA 106 – REBAIXO E PUXADOR PARA FACILITAR A MANIPULAÇÃO DO MOLDE ... 139 FIGURA 107 – DISPOSITIVO POKA-YOKE PARA FACILITAR O ENCAIXE DAS PARTES ... 139 FIGURA 108 - REFORÇOS COM CILINDROS PARA OS DISPOSITIVOS POKA-YOKE ... 140 FIGURA 109 - DETALHES PARA O ESCAPE DE MATERIAL NO MOLDE ... 140 FIGURA 110 - FERRAMENTA PLANE CUT PARA MODELAGEM DA PRÉ-FORMA ... 141 FIGURA 111 - OPERAÇÕES PARA OBTER A PRÉ-FORMA ... 142 FIGURA 112 - MEDIDAS PARA TESTAR AS VARIAÇÕES DAS PRÓTESES DE PLA E PMMA ... 143 FIGURA 113 - PAQUÍMETRO UTILIZADO NAS MEDIÇÕES DO MOLDE E CORPO DE PROVA ... 144 FIGURA 114 - ÁREAS DO MOLDE FLEXÍVEL QUE FORAM MEDIDAS ... 144 FIGURA 115 - IMPORTAR ARQUIVO DA PRÓTESE “BODY CAD” ... 146 FIGURA 116 - IMPORTAR ARQUIVO DA PRÓTESE DIGITALIZADA, DEFINIDA COMO “MALHA” ... 146 FIGURA 117 - FUNÇÃO PRÉ-ALINHAMENTO PARA AS PRÓTESES NO
PROGRAMA GOM ... 147 FIGURA 118 - PRÉ-ALINHAMENTO NO PROGRAMA GOM ... 147 FIGURA 119 - COMPARAÇÃO DE SUPERFÍCIES NO PROGRAMA GOM ... 148
FIGURA 121 - ESPECIFICAÇÕES DO CIMENTO ORTOPÉDICO PARA
OBTENÇÃO DAS PRÓTESES PARA OS ESTUDOS DE CASO ... 149 FIGURA 122 - TEMPLATE – PACIENTE 1 ... 150 FIGURA 123 - FALHA CRANIANA DO PACIENTE 1 ... 151 FIGURA 124 - PRÓTESE CRANIANA PARA CORREÇÃO DA FALHA DO
PACIENTE 1 ... 151 FIGURA 125 - IMPRESSÃO 3D DOS MODELOS E TESTE – PACIENTE 1... 152 FIGURA 126 - MODELAGEM 3D DO MOLDE PARA A PRÓTESE CRANIANA – PACIENTE 1 ... 152 FIGURA 127 - GCODES PARA O MOLDE NO PROGRAMA SIMPLIFY – PACIENTE 1 ... 153 FIGURA 128 - IMPRESSÃO 3D DO MOLDE – PACIENTE 1 ... 153 FIGURA 129 - PROCESSO PARA OBTENÇÃO DA PRÉ-FORMA – PACIENTE 1154 FIGURA 130 - PROCEDIMENTO PARA OBTENÇÃO DA PRÓTESE EM PMMA – PACIENTE 1 ... 154 FIGURA 131 - PRÓTESE EM PMMA NO MOLDE E APÓS O ACABAMENTO – PACIENTE 1 ... 155 FIGURA 132 - ENCAIXE DA PRÓTESE EM PMMA NO CONTORNO DA FALHA – PACIENTE 1 ... 155 FIGURA 133 - PRÓTESE CRANIANA DIGITALIZADA – PACIENTE 1 ... 156 FIGURA 134 - AVALIAÇÃO E COMPARAÇÃO DIMENSIONAL NO PROGRAMA GOM - PACIENTE 1 ... 157 FIGURA 135 - TEMPLATE – PACIENTE 2 ... 158 FIGURA 136 – FALHA CRANIANA DO PACIENTE 2 ... 159 FIGURA 137 – MODELO DO CRÂNIO COM PRÓTESE CRANIANA – PACIENTE 2 ... 159 FIGURA 138 - IMPRESSÃO 3D DOS MODELOS E TESTE – PACIENTE 2... 160 FIGURA 139 – MODELAGEM 3D DO MOLDE PARA A PRÓTESE CRANIANA – PACIENTE 2 ... 160
FIGURA 141 - IMPRESSÃO 3D DO MOLDE – PACIENTE 2 ... 161 FIGURA 142 - PROCESSO PARA OBTENÇÃO DA PRÉ-FORMA – PACIENTE 2162 FIGURA 143 - PRÓTESE EM PMMA NO MOLDE E APÓS O ACABAMENTO – PACIENTE 2 ... 162 FIGURA 144 - ENCAIXE DA PRÓTESE EM PMMA NO CONTORNO DA FALHA – PACIENTE 2 ... 163 FIGURA 145 - PRÓTESE BIOCOMPATÍVEL DIGITALIZADA – PACIENTE 2 ... 163 FIGURA 146 - AVALIAÇÃO E COMPARAÇÃO DIMENSIONAL NO PROGRAMA GOM - PACIENTE 2 ... 164 FIGURA 147 - TEMPLATE – PACIENTE 3 ... 165 FIGURA 148 - FALHA CRANIANA DO PACIENTE 3 ... 166 FIGURA 149 - PRÓTESE CRANIANA PARA CORREÇÃO DA FALHA DO
PACIENTE 3 ... 166 FIGURA 150 - IMPRESSÃO 3D DOS MODELOS E TESTE – PACIENTE 3... 167 FIGURA 151 - MODELAGEM 3D DO MOLDE PARA A PRÓTESE CRANIANA – PACIENTE 3 ... 167 FIGURA 152 - GCODES PARA O MOLDE NO PROGRAMA SIMPLIFY – PACIENTE 3 ... 168 FIGURA 153 - IMPRESSÃO 3D DO MOLDE – PACIENTE 3 ... 169 FIGURA 154 - PROCESSO PARA OBTENÇÃO DA PRÉ-FORMA – PACIENTE 3169 FIGURA 155 - PRÓTESE EM PMMA NO MOLDE E APÓS O ACABAMENTO – PACIENTE 3 ... 170 FIGURA 156 - ENCAIXE DA PRÓTESE EM PMMA NO CONTORNO DA FALHA – PACIENTE 3 ... 170 FIGURA 157 - PRÓTESE BIOCOMPATÍVEL DIGITALIZADA – PACIENTE 3 ... 171 FIGURA 158 - AVALIAÇÃO E COMPARAÇÃO DIMENSIONAL NO PROGRAMA GOM - PACIENTE 3 ... 172 FIGURA 159 - TEMPLATE – PACIENTE 4 ... 173 FIGURA 160 – FALHA CRANIANA DO PACIENTE 4 ... 174
FIGURA 162 - IMPRESSÃO 3D DOS MODELOS E TESTE – PACIENTE 4... 175 FIGURA 163 - MODELAGEM 3D DO MOLDE PARA A PRÓTESE CRANIANA – PACIENTE 4 ... 175 FIGURA 164 - GCODES PARA O MOLDE NO PROGRAMA SIMPLIFY – PACIENTE 4 ... 176 FIGURA 165 - IMPRESSÃO 3D DO MOLDE – PACIENTE 4 ... 177 FIGURA 166 - PROCESSO PARA OBTENÇÃO DA PRÉ-FORMA – PACIENTE 4177 FIGURA 167 - PRÓTESE EM PMMA NO MOLDE E APÓS O ACABAMENTO – PACIENTE 4 ... 178 FIGURA 168 - ENCAIXE DA PRÓTESE EM PMMA NO CONTORNO DA FALHA – PACIENTE 4 ... 178 FIGURA 169 - PRÓTESE BIOCOMPATÍVEL DIGITALIZADA – PACIENTE 4 ... 179 FIGURA 170 - AVALIAÇÃO E COMPARAÇÃO DIMENSIONAL NO PROGRAMA GOM - PACIENTE 4 ... 180 FIGURA 171 - TEMPLATE – PACIENTE 5 ... 181 FIGURA 172 - FALHA CRANIANA DO PACIENTE 5 ... 182 FIGURA 173 - PRÓTESE CRANIANA PARA CORREÇÃO DA FALHA DO
PACIENTE 5 ... 182 FIGURA 174 - IMPRESSÃO 3D DOS MODELOS E TESTE – PACIENTE 5... 183 FIGURA 175 - MODELAGEM 3D DO MOLDE PARA A PRÓTESE CRANIANA – PACIENTE 5 ... 183 FIGURA 176 - GCODES PARA O MOLDE NO PROGRAMA SIMPLIFY – PACIENTE 5 ... 184 FIGURA 177 - IMPRESSÃO 3D DO MOLDE – PACIENTE 5 ... 184 FIGURA 178 - PROCESSO PARA OBTENÇÃO DA PRÉ-FORMA – PACIENTE 5185 FIGURA 179 - PRÓTESE EM PMMA NO MOLDE E APÓS O ACABAMENTO – PACIENTE 5 ... 185 FIGURA 180 - ENCAIXE DA PRÓTESE EM PMMA NO CONTORNO DA FALHA – PACIENTE 5 ... 186
GOM - PACIENTE 5 ... 187 FIGURA 183 – ESPECIFICAÇÃO DOS COMPONENTES DO CIMENTO
TABELA 1 - ESPECIFICAÇÕES DE MATERIAIS PARA AM POR EXTRUSÃO DE MATERIAL ... 42 TABELA 2 - PROPRIEDADES E PARÂMETROS RECOMENDADOS PARA O TPU ... 65 TABELA 3 - CONFIGURAÇÕES DO COMPUTADOR UTILIZADO PARA O ESTUDO ... 74 TABELA 4 - ESPECIFICAÇÕES DA IMPRESSORA 3D ... 77 TABELA 5 – PARÂMETROS DE AM ADOTADOS PARA OS PROTÓTIPOS
FÍSICOS (PRÓTESE E CONTORNO DA FALHA CRANIANA) EM PLA RÍGIDO ... 77 TABELA 6 – PARÂMETROS DE FABRICAÇÃO POR AM ADOTADOS PARA O MOLDE EM TPU ... 82 TABELA 7 - PARÂMETROS DE FABRICAÇÃO POR AM ADOTADOS PARA A PRÉ-FORMA EM PLA ... 85 TABELA 8 - REGISTRO DE DADOS - CONFECÇÃO DAS PRÓTESES EM PMMA88 TABELA 9 - DIMENSÕES PARA CADA MODELO DE PRÓTESE ... 92 TABELA 10 - MÉDIA DAS DIMENSÕES DO COMPRIMENTO PARA O MOLDE FLEXÍVEL... 94 TABELA 11 - MÉDIA DAS DIMENSÕES DO COMPRIMENTO DO CORPO DE PROVA EM PMMA ... 94 TABELA 12 - VALORES PARA O VOLUME DAS PRÓTESES CRANIANAS ... 98 TABELA 13 - TEMPO TOTAL DE FABRICAÇÃO VIA AM DOS MOLDES ... 101 TABELA 14 – VALORES DOS DESVIOS DIMENSIONAIS PARA AS PRÓTESES CRANIANAS ... 105 TABELA 15 - AVALIAÇÃO DE CUSTOS ESTIMADOS ... 110 TABELA 16 - VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DAS PRÓTESES PARA O TESTE ... 143 TABELA 17 - MEDIÇÕES REALIZADAS NO MOLDE FLEXÍVEL ... 145 TABELA 18 - MEDIÇÕES REALIZADAS NO CORPO DE PROVA EM PMMA ... 145 TABELA 19 - AVALIAÇÃO DE CUSTOS (VALORES ESTIMADOS) ... 188
3D Tridimensional
ABS Acrilonitrila Butadieno Estireno
AM Additive Manufacturing (Manufatura Aditiva)
ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária ASTM American Society for Testing and Materials
CAD Computer Aided Design (Projeto auxiliado por computador)
CAI Computer Aided Inspection (Inspeção assistida por computador)
CAM Computer Aided Manufacturing (Manufatura auxiliada por computador)
CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNC Comando Numérico Computadorizado
CT Computed tomography ou Tomografia Computadorizada (TC)
CTI Centro de Tecnologia da Informação
DICOM® Digital Imaging and Communications in Medicine
DSR Design Science Research
FDA Food and Drug Administration
HDPE Polietileno de Alta Densidade HGM Hospital Geral do México
ID Identity (Identidade)
LAMEC Laboratório de Metrologia Científica da UTFPR MIP Medical Image Processing
MMA Metil metacrilato
MRI Magnetic Resonance Imaging
NUFER Núcleo de Manufatura Aditiva e Ferramental da UTFPR
PA Poliamida
PC Policarbonato
PCL Policaprolactona
PDP Processo de Desenvolvimento do Produto PEAD Polietileno de alta densidade
PEBD Polietileno de baixa densidade
PEEK Polyether Ether Ketone (poliéter éter cetona)
PMMA Polimetilmetacrilato ou Polimetacrilato de metila
PP Polipropileno
PPGEM Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
PS Poliestireno
PU Poliuretano
PVA Acetato de Polivinila PVC Policloreto de vinila
SESA Secretaria de Estado da Saúde do Paraná
SLA Stereolithography Apparatus (Aparelho de Estereolitografia)
SLS Selective laser sintering (Sinterização Seletiva a Laser)
STL Stereolithography (Estereolitografia)
SUS Sistema Único de Saúde
TC Tomografia Computadorizada
Tg Temperatura de Transição Vítrea Tm Temperatura de Fusão Cristalina
TPU Termoplástico Poliuretano ou Poliuretano Termoplástico UFPR Universidade Federal do Paraná
UV Ultravioleta
UG Unigraphics Solutions
1.1 PROBLEMA ... 27 1.2 OBJETIVOS ... 27 1.2.1 Objetivo Geral ... 27 1.2.2 Objetivos Específicos ... 28 1.3 JUSTIFICATIVA ... 28 1.4 ORGANIZAÇÃODOTRABALHO ... 29 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 30 2.1 MÉTODODEPESQUISA DSR ... 30
2.2 PROCEDIMENTOCIRÚRGICODECRANIOPLASTIA ... 31 2.3 TECNOLOGIADEMANUFATURAADITIVA ... 34
2.3.1 Tecnologia de Manufatura Aditiva para a fabricação de próteses e moldes ... 37 2.3.2 Materiais poliméricos para AM por extrusão de material ... 41
2.4 MATERIAISPARAPRÓTESESCRANIANAS ... 43 2.5 RECONSTRUÇÃO3DDEANATOMIAS ... 45 2.6 AFINIDADEQUÍMICAEADESÃOMECÂNICA ... 51 2.7 MOLDESPARACRANIOPLASTIA ... 52 2.8 MATERIALFLEXÍVEL–TPU(POLIURETANOTERMOPLÁSTICO) ... 63 2.9 METROLOGIAÓPTICA3DSEMCONTATO ... 65 2.10 CONSIDERAÇÕESSOBREOREFERENCIALTEÓRICO ... 67 3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 69 3.1 MÉTODODEPESQUISADSRAPLICADO ... 69
3.1.1 Fase 3 – Projeto e desenvolvimento da solução ... 69 3.1.2 Fase 4 – Demonstração da solução ... 70 3.1.3 Fase 5 – Avaliação da solução ... 71 3.1.4 Fase 6 – Exposição dos resultados ... 71
3.3.1 Reconstrução 3D do crânio ... 72 3.3.2 Correção do modelo 3D do crânio ... 74
3.4 MODELAGEM3DDAPRÓTESEEDOCONTORNODAFALHA ... 75
3.4.1 Modelagem 3D da prótese craniana ... 75 3.4.2 Modelagem 3D do contorno da falha craniana ... 76
3.5FABRICAÇÃOVIAAMPOREXTRUSÃODEMATERIAL,VERIFICAÇÃODOS PROTÓTIPOSEACABAMENTO ... 77 3.6 AJUSTESDOPROTÓTIPOEMODELAGEM3DDOMOLDE ... 78
3.6.1 Ajustes no arquivo 3D do protótipo ... 78 3.6.2 Modelagem 3D do molde ... 79
3.7 FABRICAÇÃODOMOLDEVIAAMPOREXTRUSÃODEMATERIAL ... 79 3.7.1 Testes preliminares para a escolha do material do molde ... 79 3.7.2 Seleção do material para impressão 3D do molde ... 81 3.7.3 Fabricação do molde por AM ... 82
3.8 ACABAMENTODOMOLDE ... 83 3.9 MODELAGEMEIMPRESSÃO3DDAPRÉ-FORMA ... 84 3.10PREPARAÇÃO,CONFECÇÃODAPRÓTESEEMPMMAEACABAMENTO 85 3.11 AVALIAÇÃODIMENSIONALDASPRÓTESES ... 90
3.11.1 Análise preliminar das próteses obtidas por molde ... 90 3.11.2 Verificação dos desvios dimensionais – corpo de prova ... 93 3.11.3 Digitalização 3D e análise dimensional das próteses ... 94
3.12 SÍNTESEDOCAPÍTULO ... 97 4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 98 4.1 ANÁLISEDOSRESULTADOS ... 104
4.1.1 Análise dimensional – estudo de caso 1 ... 105 4.1.2 Análise dimensional – estudo de caso 2 ... 107
4.1.5 Análise dimensional – estudo de caso 5 ... 109
4.2 ANÁLISEDECUSTOS ... 109 5. CONCLUSÕES ... 111 6. REFERÊNCIAS ... 113 APÊNDICE A – RECONSTRUÇÃO 3D DO CRÂNIO NO INVESALIUS 3 ... 123 APÊNDICE B – AJUSTES NO MODELO 3D DO CRÂNIO ... 126 APÊNDICE C – MODELAGEM 3D DA PRÓTESE CRANIANA ... 129 APÊNDICE D – MODELAGEM 3D DO CONTORNO DA FALHA CRANIANA ... 134 APÊNDICE E – MODELAGEM 3D DO MOLDE ... 135 APÊNDICE F – PROCESSO PARA OBTENÇÃO DA PRÉ-FORMA ... 141 APÊNDICE G – TABELA COM VALORES PARA TESTE DE MEDIÇÕES DAS PRÓTESES CRANIANAS ... 143 APÊNDICE H – MEDIÇÕES DO MOLDE FLEXÍVEL E DO CORPO DE PROVA EM PMMA ... 144 APÊNDICE I – PROCEDIMENTOS ADOTADOS NO PROGRAMA GOM ... 146 APÊNDICE J – INFORMAÇÕES SOBRE OS KITS DE PMMA UTILIZADOS EM CADA ESTUDO DE CASO ... 149 APÊNDICE K – TEMPLATE COM DADOS SOBRE O ESTUDO DE CASO 1 ... 150 APÊNDICE L – RESULTADOS DETALHADOS DO ESTUDO DE CASO 1 ... 151 APÊNDICE M – TEMPLATE COM DADOS SOBRE O ESTUDO DE CASO 2 ... 158 APÊNDICE N – RESULTADOS DETALHADOS DO ESTUDO DE CASO 2 ... 159 APÊNDICE O – TEMPLATE COM DADOS SOBRE O ESTUDO DE CASO 3 ... 165 APÊNDICE P – RESULTADOS DETALHADOS DO ESTUDO DE CASO 3 ... 166 APÊNDICE Q – TEMPLATE COM DADOS SOBRE O ESTUDO DE CASO 4 ... 173 APÊNDICE R – RESULTADOS DETALHADOS DO ESTUDO DE CASO 4 ... 174 APÊNDICE S – TEMPLATE COM DADOS SOBRE O ESTUDO DE CASO 5 ... 181 APÊNDICE T – RESULTADOS DETALHADOS DO ESTUDO DE CASO 5 ... 182 APÊNDICE U – AVALIAÇÃO ESTIMADA DE CUSTOS... 188 ANEXO 1 – ESPECIFICAÇÕES DO CIMENTO ORTOPÉDICO (PMMA) ... 189
1. INTRODUÇÃO
A Cranioplastia ou reparo cirúrgico craniano é descrito como um procedimento cirúrgico de alta complexidade, o qual pode ser de natureza funcional ou estrutural, com o objetivo de restabelecer a proteção das funções craniocerebrais, bem como recuperar a condição estética, melhorando assim os aspectos psicológicos e sociais dos pacientes (ROTARU et al., 2012).
Vale destacar que a realização deste procedimento é secular (Shah et al., 2014), geralmente em razão de traumas, tumores ou cirurgias de descompressão cerebral e infecções. A Figura 1 ilustra um exemplo de Cranioplastia.
FIGURA 1 – CRANIOPLASTIA
FONTE: adaptada de MOSER et al. (2017).
LEGENDA: a) Modelo 3D do crânio (vista superior) gerado a partir de arquivos de tomografia. b) Procedimento cirúrgico com prótese para correção do defeito craniano.
Atualmente, a reconstrução da calota craniana, de acordo com Feroze et al. (2015), pode ser realizada empregando-se materiais para autoenxertos, isto é enxerto realizado com osso do próprio paciente (osso autólogo). Há também os aloenxertos, caso em que doador e receptor são ambos da mesma espécie, porém têm genótipos diferentes (alotransplante com uso moderado). Finalmente tem-se os aloplastos, isto é materiais alheios ao corpo humano, incluindo metais como o titânio, polímeros (p.e. PMMA1, PEEK - poli(ether-ether-ketone) e Polietileno Poroso)
e cerâmicas (p.e. hidroxiapatita e cimento de fosfato de cálcio carbonatado).
1 PMMA ou poli(metacrilato de metila) também conhecido como cimento ósseo ou cimento ortopédico.
Nesta dissertação se refere aqueles utilizados em Cranioplastia, podendo ser citados também como: cimento cirúrgico, acrílico, entre outros.
No Brasil, quando não é possível usar um enxerto de osso parietal (autólogo ou alotransplante), o SUS, disponibiliza materiais aloplásticos. Em geral, o PMMA é fornecido na forma de um kit composto por um componente do polímero em pó e um componente do monômero líquido, os quais por uma reação de polimerização transformam-se em uma resina acrílica que pode ser moldada durante o transoperatório, na forma do defeito da calota craniana.
Entretanto, o SUS não disponibiliza próteses cranianas personalizadas ou moldes personalizados devido aos altos custos envolvidos na sua produção. Desta forma, a prótese (implante2) deve ser moldada manualmente, a partir do kit de
PMMA e o resultado vai depender da habilidade da equipe médica na moldagem, bem como implica em maior tempo de cirurgia até a aquisição do formato necessário para a prótese e, consequentemente, em custos mais elevados e maior exposição do paciente aos riscos de infecção hospitalar. De acordo com Maricevich e Campolina (2015), a maior eficácia da cirurgia de cranioplastia pode ser atingida com o uso de próteses cranianas feitas sob medida3 para cada paciente, porém os
custos ainda são uma barreira significativa para sua ampla disponibilização pelo SUS e apenas alguns convênios médicos custeiam esse tipo de prótese personalizada (CETL, 2018).
Em relação aos custos, Staffa et al. (2007, citado por Unterhofer et al. (2017)) revelam que a terceirização de próteses possui valor elevado, somente os implantes de hidroxiapatita podem custar, aproximadamente US$ 8000, enquanto, implantes fabricados com reforço de fibra de carbono custam US$ 8300 por paciente (WURM et al. (2004, citado por Unterhofer et al., 2017)).
Dentro desta perspectiva, o processo de manufatura aditiva (AM) ou impressão 3D se mostra como uma alternativa de custo acessível capaz de auxiliar a fabricação direta ou indireta de próteses cranianas personalizadas. Neste sentido, foram identificados muitos estudos que utilizam essa tecnologia para o desenvolvimento de soluções relacionadas à confecção de próteses cranianas, dentre eles, pode-se citar os estudos de Hay et al. (2017) e Tan et al. (2016), os quais propuseram uma forma bastante simplificada para a confecção da prótese em
2 De acordo com FDA (2018) – Food and Drug Administration dos EUA, “os implantes médicos
representam dispositivos que são colocados dentro ou na superfície do corpo. Muitos implantes são próteses, destinados a substituir partes do corpo ausentes. Alguns implantes são feitos de osso e outros são feitos de metal, polímeros, cerâmicas e outros materiais.
PMMA e Ruiz-Huerta et al. (2016), os quais apresentaram uma forma composta de duas partes e que podem ser aplicadas melhorias com dispositivos poka-yoke e material flexível, entre outros. Adicionalmente, com o emprego de softwares livres voltados para modelagem e impressão 3D por extrusão de material, acredita-se que seja possível diminuir os gastos de modelagem e de fabricação, para fornecer próteses cranianas personalizadas de qualidade a um custo mais acessível.
1.1 PROBLEMA
Doenças ou acidentes podem implicar em graves consequências para as pessoas, principalmente quando afetam a região craniana. Conforme a gravidade da lesão crânio-encefálica poderá ocorrer a necessidade de um serviço de reparação craniana com a utilização de uma prótese.
No entanto, o procedimento cirúrgico com prótese craniana personalizada, em muitos casos ainda representa um alto custo.
Dentro desta perspectiva, a questão de pesquisa a ser respondida nesta dissertação é: como confeccionar próteses biocompatíveis personalizadas em PMMA, que atendam tanto o ponto de vista funcional e estrutural, quanto o ponto de vista estético e com um custo mais acessível?
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste estudo é desenvolver uma solução para produzir próteses cranianas em PMMA com custos acessíveis, composta por um molde fabricado por Manufatura Aditiva (AM) em polímero flexível capaz de conformar por prensagem próteses customizadas e avaliar os resultados mediante digitalização 3D.
1.2.2 Objetivos Específicos
Para que seja alcançado o objetivo do estudo os seguintes objetivos específicos devem ser atendidos:
1. Escolher as principais técnicas e ferramentas computacionais para a geração dos modelos geométricos 3D virtuais a partir de imagens tomográficas do paciente.
2. Desenvolver um procedimento para a modelagem e fabricação via AM por extrusão de material de moldes personalizados para a conformação de próteses cranianas (artefatos).
3. Avaliar os artefatos utilizando um processo de medição óptica 3D sem contato, visando a comparação dos resultados com os modelos virtuais.
4. Avaliar os custos de produção dos artefatos utilizando a solução proposta.
1.3 JUSTIFICATIVA
A importância e a relevância da pesquisa fundamentam-se, particularmente, no aspecto econômico e social. Verifica-se que o custo de uma prótese craniana personalizada confeccionada com “cimento ósseo” biocompatível (PMMA), recomendado para cranioplastia, ainda representa uma barreira significativa para sua disponibilização. Essa barreira afeta principalmente os pacientes atendidos pelo SUS e por planos de saúde que não incluem essa possibilidade em suas listas de procedimentos (CETL, 2018). Neste sentido, é importante salientar, também, que a cranioplastia possui grande demanda, com aproximadamente 82 ocorrências anuais, apenas no estado do Paraná4.
Adicionalmente, a literatura médica revela também a possibilidade de confeccionar próteses personalizadas com outros biomateriais, tais como
poli(éter-éter-cetona) - (PEEK), entretanto com custos ainda maiores, estimados em US$
5000 por Tan et al. (2016), ou em titânio, estimados em US$ 3500 por Honeybul et al. (2018).
4 De acordo com a SESA (2018) - Secretaria de Estado da Saúde do Paraná, entre julho de 2017 a
junho de 2018, os procedimentos de Cranioplastia tiveram a frequência de 82 ocorrências no estado, apontando um valor aproximado de 270 mil reais.
Assim, a alternativa mais simples e viável pelo SUS é confeccionar a prótese de forma totalmente manual durante o procedimento cirúrgico, o que requer, além de grande habilidade do médico, dispêndio de tempo da sala cirúrgica e de recursos humanos envolvidos e, muitas vezes, o resultado estético nem sempre é satisfatório para o paciente.
Neste contexto, o emprego de moldes fabricados via AM por extrusão de material em polímero flexível desenvolvidos com o emprego de softwares livres pode ser considerada uma abordagem cientificamente válida e uma alternativa de custo mais acessível.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
A presente pesquisa está dividida em cinco capítulos. No primeiro capítulo, introdução, apresenta-se um contexto da aplicação de próteses personalizadas no reparo de defeitos cranianos e sua relação com a engenharia biomédica, em especial, na geração de modelos virtuais tridimensionais a partir de imagens médicas. Adicionalmente, neste capítulo são apresentados os objetivos do estudo e as justificativas considerando a importância, bem como a relevância da pesquisa. Em seguida, no Capítulo 2 é apresentada a fundamentação teórica, os trabalhos correlatos já desenvolvidos no tema, de modo a permitir o real entendimento da abrangência da pesquisa. O Capítulo 3 apresenta os aspectos metodológicos e procedimentos empregados no desenvolvimento dessa pesquisa. No Capítulo 4, por sua vez, são descritas a análise e a discussão dos resultados, incluindo o projeto e desenvolvimento do artefato proposto, sua demonstração e consequente avaliação. Por fim, no Capítulo 5 apresentam-se as conclusões, limitações da pesquisa, principais desafios e sugestões para trabalhos futuros.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo, apresenta-se de forma objetiva a fundamentação teórica, iniciando com a revisão do método de pesquisa adotado, o Design Science
Research (DSR), envolvendo 6 fases distintas para o desenvolvimento do trabalho.
Na sequência, são definidos os principais termos, conceitos, definições e conhecimentos relativos às tecnologias que serão essenciais para a compreensão da presente pesquisa. Com esta finalidade, este capítulo foi organizado em 3 seções. Na primeira seção apresenta-se o contexto de aplicação, em particular, os desafios e oportunidades de pesquisa em relação ao procedimento cirúrgico descrito na literatura médica como cranioplastia ou reparo cirúrgico de defeitos cranianos.
Em seguida, são reveladas as potencialidades e desafios da tecnologia de AM na área da saúde e os materiais mais relevantes para a pesquisa.
Por fim, são apresentados os principais conceitos e técnicas referentes à reconstrução anatômica craniana por meio de modelos virtuais 3D, partindo-se de imagens médicas para a geração de protótipos, estudos relacionados a moldes para cranioplastia, finalizando o capítulo com metrologia óptica 3D sem contato.
2.1 MÉTODO DE PESQUISA DSR
A presente pesquisa foi conduzida com base no método de pesquisa DSR, cujo objetivo é desenvolver artefatos para resolver problemas, assegurando o reconhecimento e a potencial relevância de um estudo (LACERDA et al., 2013). Neste contexto, um artefato pode ser definido como: métodos (boas práticas e algoritmos), modelos (abstrações e representações), construções (símbolos e vocabulário) e instanciações (protótipos e implementações de sistemas) (PEFFERS et al., 2007).
A criação de um artefato no método DSR deve seguir um conjunto de seis fases de trabalho, conforme foi proposto por Peffers et al. (2007) e é ilustrado na Figura 2.
FIGURA 2 - ESTRUTURA DO MÉTODO DE PESQUISA DSR
FONTE: PEFFERS et al. (2007).
2.2 PROCEDIMENTO CIRÚRGICO DE CRANIOPLASTIA
A prática da reconstrução craniana data pelo menos desde 3000 a.C., onde evidências arqueológicas sugerem o uso de trefina (tipo de serra cilíndrica para remover um disco circular de osso, principalmente do crânio) em cirurgias de reparo craniano, bem como o emprego de metais preciosos, conchas e cabaças para a reconstrução de falhas cranianas pelos povos Incas (JARDINI et al., 2016).
Atualmente, a cranioplastia é descrita na literatura médica como um procedimento cirúrgico de alta complexidade destinado a reparação de defeitos ou deformidades ósseas do crânio, conforme ilustra a Figura 3 (COELHO, 2012).
Em relação a cranioplastia, esta correção cirúrgica pode resultar de uma necessidade de restauração da proteção craniocerebral (Figura 4), bem como por razões estéticas, ou seja, para uma reparação de perda ou falha de tecido ósseo – Figura 5 (COELHO, 2012).
FIGURA 3 – CRANIOPLASTIA: PROCEDIMENTO CIRÚRGICO PARA RESTAURAR A PROTEÇÃO CRANIOCEREBRAL
FONTE: adaptada de PIAZZA; GRADY (2017). LEGENDA: a) Anatomia do paciente com falha craniana.
b) Cirurgia corretiva com uso de prótese craniana (cranioplastia). c) Anatomia corrigida após a implantação da prótese.
FIGURA 4 – CRANIOPLASTIA PARA RESTAURAR A PROTEÇÃO CRANIOCEREBRAL
Fonte: adaptada de JARDINI et al. (2016).
FIGURA 5 – CRANIOPLASTIA PARA REPARAÇÃO SIMPLES
De acordo com Coelho (2012), as falhas do crânio podem ser congênitas (encefalites, anomalias do esqueleto, etc.) ou adquiridas (traumatismo craniano, infecções, tumores, remoção óssea após cirurgia, fraturas, entre outras).
Atualmente, a cranioplastia é recomendada para ocorrências de alta gravidade, tais como: traumatismos (lesões), ferimento por projétil de armas de fogo, osteomielite (inflamação do osso), deformidade óssea após cirurgia relacionada a tumores, edemas cerebrais, síndromes, osteólise (reabsorção de tecido ósseo) – (UNTERHOFER et al., 2017).
Em relação a correção craniana, em especial, Honeybul et al. (2018) afirmam que o estudo de cranioplastia primária utilizando titânio (Figura 6) foi associado a melhores resultados estéticos e funcionais do que a cranioplastia autóloga (que utiliza o tecido ósseo do próprio paciente). Além disso, não foram relatadas infecções primárias no procedimento de cranioplastia com emprego de titânio. Apesar do bom resultado, o titânio ainda apresenta um custo elevado de fabricação, podendo custar US$ 3.500 cada prótese desse material.
FIGURA 6 – EXEMPLO DE PLACA DE TITÂNIO EM UM CRÂNIO PROTOTIPADO
FONTE: HONEYBUL et al. (2018).
Por fim, do ponto de vista de demanda, Ruiz-Huerta et al. (2016) revelam que apenas no Hospital Geral do México (HGM), a necessidade do uso de próteses cranianas é de 4000 unidades por ano e o tempo de espera para cada paciente fica entre 5 e 10 semanas, incluindo o serviço de terceiros e com um outro agravante, que os hospitais públicos mexicanos não possuem locais próprios para fabricação, dependendo de laboratórios no exterior.
2.3 TECNOLOGIA DE MANUFATURA ADITIVA
No final da década de 80 um novo princípio de fabricação baseado na adição de material foi apresentado, inicialmente com a denominação de Prototipagem Rápida e hoje denominado de Manufatura Aditiva (AM - Additive Manufacturing) ou, mais popularmente, de impressão 3D (CARVALHO; VOLPATO, 2017).
A AM é definida pela ASTM (American Society for Testing and Materials) como o “processo de junção de materiais para fazer objetos e modelos 3D a partir da deposição de camada sobre camada, ao contrário de tecnologias de fabricação subtrativas como a usinagem tradicional” (ASTM, 2012).
De acordo com Ngo et al. (2018), a impressão 3D é um processo utilizado para fabricar vários tipos de estruturas e geometrias complexas a partir de dados de modelos 3D. Este processo consiste em imprimir sucessivamente camadas de materiais que são dispostas umas em cima das outras.
O princípio de AM possui um enorme potencial para fabricar geometrias complexas. Verificam-se importantes vantagens e qualidades, tais como: ampla liberdade geométrica na fabricação, aplicação em ferramental (fabricação de moldes), pouco desperdício de material, possibilidade de fabricação em um único equipamento, rapidez na obtenção de baixa quantidade de componentes (em relação aos métodos tradicionais), vantagem na obtenção de protótipos físicos mais complexos, possível produção de peças finais (CARVALHO; VOLPATO, 2017).
A impressão 3D, que envolve vários métodos, materiais e equipamentos, evoluiu ao longo dos anos e tem a capacidade de transformar os processos fabris e de logística. A AM tem sido amplamente aplicada em diversos segmentos, incluindo saúde, tecnologia, design e biomecânica (NGO et al., 2018).
As tecnologias de AM podem ser classificadas em: fotopolimerização em cuba (tecnologia de estereolitografia - SL), polimerização ativada por luz, entre outros), extrusão de material (extrusão por bico ou orifício), jateamento de material, jateamento de aglutinante, fusão de leito de pó (tecnologia de sinterização a laser – SLS, entre outras), adição de lâminas e deposição com energia direcionada (CARVALHO; VOLPATO, 2017).
Dentre as tecnologias existentes, a mais difundida atualmente é a de extrusão de material (Figura 7), devido ao baixo custo (tanto da máquina quanto da matéria-prima disponível em rolos de filamento), a grande popularidade (por se tratar de um equipamento de tecnologia mais simples e acessível) e a facilidade no uso da tecnologia (VOLPATO, 2017; NGO et al., 2018).
FIGURA 7 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO PROCESSO DE AM POR EXTRUSÃO DE MATERIAL
FONTE: adaptada de WANG et al. (2017).
Na tecnologia de extrusão de material pode-se encontrar diversos equipamentos que utilizam o processo de AM para fabricação de peças (Quadro 1).
Neste processo, o filamento é aquecido para atingir um estado semi-líquido e depois extrudado na plataforma ou no topo das camadas já impressas. A termoplasticidade do filamento de polímero é uma propriedade básica para este método, pois permite que os filamentos se fundam no processo de impressão e se solidifiquem posteriormente na temperatura ambiente (NGO et al., 2018).
QUADRO 1 – MARCAS DE EQUIPAMENTOS DE AM POR EXTRUSÃO DE MATERIAL EMPRESA OU FABRICANTE PAÍS DE ORIGEM HOMEPAGE
3D Cloner Brasil www.3dcloner.com.br
Makerbot Estados Unidos www.makerbot.com Prusa República Checa www.prusa3d.com/
Stella Brasil www.boaimpressao3d.com.br
Ultimaker Holanda www.ultimaker.com
Zortrax Polônia www.zortrax.com
FONTE:adaptada de VOLPATO (2017).
Para alimentar o cabeçote de extrusão, o mais comum é o uso de material na forma de um filamento contínuo de maior diâmetro que é tracionado por roletes e
empurrado para o interior do cabeçote (Figura 8). O filamento tracionado funciona como êmbolo na entrada do sistema de extrusão, antes de amolecer, aplicando pressão no material aquecido à frente. A alimentação por ser contínua, exerce pressão e causa a expulsão do material pelo bico calibrado (VOLPATO, 2017).
FIGURA 8 – PRINCÍPIO DE EXTRUSÃO DE MATERIAL: ALIMENTAÇÃO POR FILAMENTO
FONTE: adaptada de VOLPATO (2017).
Algumas vantagens da tecnologia por extrusão de material: simplicidade do princípio de deposição (em relação aos demais processos), possibilidade da utilização de muitos termoplásticos (polímeros de engenharia), materiais utilizados são estáveis (respondem bem mecânica e quimicamente), não requer pós-cura dos materiais, permite a fabricação de peças com propriedades mecânicas que podem ser utilizadas em testes funcionais ou em componentes de uso final (VOLPATO, 2017).
O uso das tecnologias de AM vem sendo bastante difundidas na área da saúde (medicina), devido às seguintes vantagens: possibilidade de fabricação de geometrias complexas (representação de partes do corpo humano), baixo custo dos materiais (custo do kg de filamento aproximadamente igual a R$ 100) e equipamentos (a partir de R$ 1000), variedade de materiais para impressão tais como ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), PLA (Ácido Polilático), PETG (Politereftalato de Etileno Glicol), materiais flexíveis, entre outros (CARVALHO; VOLPATO, 2017).
2.3.1 Tecnologia de Manufatura Aditiva para a fabricação de próteses e moldes
De acordo com Berman (2012), a AM tem capacidade para imprimir em 3D pequenas quantidades de produtos personalizados com custos relativamente baixos. Essa vantagem é especificamente útil no campo biomédico, onde produtos exclusivos personalizados para pacientes são normalmente necessários.
Segundo Silva e Munhoz (2017), os primeiros trabalhos registrados de aplicação da AM na área da saúde são da década de 1990. Atualmente, a maioria das aplicações e especialidades médicas se beneficia com o uso de biomodelos e podem ser utilizados como uma importante ferramenta no planejamento cirúrgico.
Uma grande oportunidade é o desenvolvimento de soluções médicas, em especial, dispositivos de auxílio para os profissionais em cirurgias de cranioplastia, visando corrigir falhas cranianas, a partir da confecção de próteses customizadas.
Uma solução de baixo custo foi apresentada por Tan et al. (2016). O estudo propôs a fabricação de uma forma por impressão 3D para produzir uma prótese utilizando cimento ósseo (já aplicado em cirurgias corretivas) – Figura 9. O uso dessa solução foi indicado como mais viável sob o ponto de vista econômico, já que os outros materiais como PEEK (Poli-éter-éter-cetona) e Hidroxiapatita (também utilizados em implantes) podem ultrapassar o valor de US$ 5000 (TAN et al., 2016).
FIGURA 9 – FORMA UTILIZADA PARA CONFECÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA EM PMMA
O estudo de Day et al. (2018) descreveu outro caso de correção de deformidades cranianas, aliando tecnologia computacional avançada, planejamento cirúrgico virtual, modelagem tridimensional (3D) e objetos impressos personalizados de pacientes. O objetivo do estudo foi corrigir um defeito no crânio, representado na Figura 10, além disso, visou à melhoria da aparência facial do paciente. A partir das imagens obtidas por tomografia computadorizada, foi realizada a modelagem de um implante, que posteriormente foi fabricado por impressão 3D em material biocompatível (PEEK). A Figura 11 ilustra o resultado após a cirurgia.
FIGURA 10 – IMPLANTE EM PEEK PARA CORREÇÃO DE DEFORMIDADE CRANIANA
FONTE: DAY et al. (2018).
FIGURA 11 – ANTES E DEPOIS - CORREÇÃO COM IMPLANTE DE PEEK
O estudo de Unterhofer et al. (2017) propôs a utilização de biomodelos impressos em 3D para auxílio na correção de defeitos cranianos de 46 pacientes. As falhas foram reconstruídas usando técnicas de CAD/CAM (Projeto Auxiliado por Computador/Manufatura Auxiliada por Computador). O modelo craniano de cada paciente foi fabricado via AM em ABS e a prótese confeccionada em PMMA, conforme a Figura 12. Os implantes tiveram bons ajustes em todos os pacientes e os resultados foram excelentes para 42 pacientes. O custo da implantação de cada prótese foi de aproximadamente 550 euros.
FIGURA 12 – BIOMODELO UTILIZADO NA CONFECÇÃO DE PRÓTESES EM PMMA
FONTE: adaptada de UNTERHOFER et al. (2017). LEGENDA: a) Biomodelo craniano com a falha do paciente.
b) Biomodelo utilizado para confeccionar a prótese em PMMA. c) Reparação craniana com prótese de PMMA.
O uso da AM para cranioplastia também foi apresentado por Msallem et al. (2017). Neste estudo, os autores aplicaram um processo híbrido de fabricação, combinando AM com moldagem de silicone para confecção manual intraoperatória da prótese craniana em PMMA. A solução consiste no uso da AM aplicada aos biomodelos do crânio e da prótese em PLA, utilizada para gerar o molde de silicone. Após encaminhamento à cirurgia, obteve-se a prótese biocompatível (Figura 13) com auxílio do molde e o resultado apontou custos mínimos, devido a simplicidade do processo e sem a necessidade de utilização de equipamentos caros.
FIGURA 13 – PROCESSO DE FABRICAÇÃO HÍBRIDO PARA CRANIOPLASTIA
FONTE: adaptada de MSALLEM et al. (2017).
LEGENDA: a) Biomodelo do crânio e prótese impressas em PLA.
b) Prótese impressa utilizada na geração do molde em silicone. c) Prótese confeccionada em PMMA com uso do molde em silicone.
Ruiz-Huerta et al. (2016) desenvolveram uma solução juntando a tecnologia de CAD e AM para fabricação de moldes para próteses cranianas em PMMA. Para conferir os resultados preliminarmente, foi impressa a falha craniana e a prótese em Policarbonato (PC) para verificação do encaixe (Figura 14).
FIGURA 14 – CONTORNO DA FALHA CRANIANA E PRÓTESE
FONTE: adaptada de RUIZ-HUERTA et al. (2016) LEGENDA: a) Borda com a falha craniana impressa em PC. b) Prótese impressa em PC.
c) Prótese cobrindo a falha craniana, para verificar o encaixe.
De acordo com o estudo, o molde foi impresso em PC e utilizado na cirurgia sem qualquer tratamento final ou acabamento. Para facilitar o procedimento, o molde foi coberto por uma película de PVA (Acetato de Polivinila), como meio de separação para extrair a prótese em PMMA sem maiores dificuldades. A Figura 15 apresenta o molde fabricado em PC dividido em duas partes e a prótese resultante em PMMA (RUIZ-HUERTA et al., 2016).
FIGURA 15 – MOLDE PARA CONFECÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA
FONTE: adaptada de RUIZ-HUERTA et al. (2016) LEGENDA: a) Molde impresso em PC, com duas partes.
b) Prótese em PMMA obtida para reparação do crânio.
Conforme os estudos apontaram, a área de AM se destaca pelo grande potencial na área da saúde e especialmente no uso de materiais poliméricos.
2.3.2 Materiais poliméricos para AM por extrusão de material
De acordo com Callister (2011), os polímeros incluem os materiais plásticos, de borracha e afins. As características mecânicas dos polímeros diferem dos materiais metálicos e cerâmicos. Muitos polímeros são dúcteis e flexíveis, podendo ser conformados em formas complexas. A Tabela 1 relaciona os materiais poliméricos comumente utilizados na AM por extrusão de material.
TABELA 1 - ESPECIFICAÇÕES DE MATERIAIS PARA AM POR EXTRUSÃO DE MATERIAL
Material Temperatura de
extrusão Propriedades do material
PLA (Ácido
Polilático) De 205ºC até 220ºC
- Material rígido, porém quebradiço; - Não exala cheiro (inodoro); - Possui baixa distorção;
- O filamento é um dos mais ecológicos disponíveis, feito com recursos renováveis (amido de milho); - O PLA é usado com frequência em recipientes de alimentos, como embalagens e implantes médicos biodegradáveis, como suturas;
- Uso recomendado para protótipos, brinquedos, aplicações com baixo esforço mecânico.
ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno)
De 230ºC até 240ºC
- Material resistente e dúctil, com resistência ao desgaste e tolerância ao calor;
- Em comparação ao PLA, o ABS é menos frágil é mais dúctil;
- Pode ocorrer distorções, se não for utilizado adequadamente;
- Geralmente o ABS é usado em peças como engrenagens, protótipos, porta-copos de carro, peças expostas a raios UV e calor.
PET (Polietileno Tereftalato)
De 245ºC até 255ºC
- O filamento de PET é um material durável e flexível, com um acabamento brilhante e é resistente ao impacto e ao calor;
- Melhor uso em peças mecânicas;
- O filamento PETG é o mais comum, possui resistência industrial com várias propriedades excelentes;
- Combina a facilidade de uso do filamento PLA com a força e durabilidade do filamento de ABS;
- Possui resistência maior que do PLA e é aprovada pela FDA para recipientes de alimentos;
- Ao contrário do ABS, ele quase não se deforma e não produz odores;
- O filamento de PET não é biodegradável, mas é 100% recuperável.
TPU
(Poliuretano Termoplástico)
De 210°C até 245°C
- Material elástico, resistente a óleo e graxa e resistente à abrasão.
- Uso aplicável em dispositivos médicos, ferramentas elétricas, artigos esportivos, calçados.
- O filamento de TPU cria peças resistentes ao impacto, emborrachadas e elásticas.
- Quanto menor o preenchimento do objeto impresso, mais flexível ele será.
FONTE: adaptada de MatterHackers (2018).
Segundo Azimi et al. (2016 citado por Zhao et al., 2018) e Hunt et al. (2015, citado por Zhao et al., 2018), vários termoplásticos estão disponíveis para AM, entre eles ABS, poliamida (PA), PC, polietileno de alta densidade (HDPE), poliestireno de alto impacto (PS), PLA, PETG, entre outros. Desses materiais, o ABS e o PLA (em formato de filamento) são os mais populares.
O PLA é um plástico biodegradável derivado de fontes renováveis, como amido e cana-de-açúcar, o que o torna uma alternativa mais interessante em relação ao ABS (ZHAO et al., 2018). De acordo com Wang et al. (2017), o PLA tem boas propriedades mecânicas, podendo ser processado usando equipamentos convencionais, como por exemplo, injetoras.
2.4 MATERIAIS PARA PRÓTESES CRANIANAS
A utilização de materiais metálicos em cirurgias foi inicialmente mais comum devido à disponibilidade, posteriormente sendo substituído por materiais poliméricos. Em 1940, o PMMA foi introduzido para utilização em cirurgias, e é, provavelmente, o material polimérico mais utilizado em reconstruções cranianas (COELHO, 2012).
De acordo com Feroze et al. (2015), os materiais usados em cranioplastia podem se dividir em: autoenxertos (osso autólogo), aloenxertos (enxertos ósseos de cadáveres, com uso moderado), aloplastos (com várias opções, incluindo metais como o titânio, polímeros (PMMA, PEEK e Polietileno poroso), cerâmicas (hidroxiapatita e cimento de fosfato de cálcio carbonatado).
O PMMA apresenta resistência adequada para a aplicação em próteses cranianas, tem a capacidade de aderência firme ao osso, não é termocondutor, possui baixo custo e é de fácil obtenção (YACUBIAN-FERNANDES et al., 2004).
As próteses feitas de PMMA são estáveis, biocompatíveis, quimicamente inertes, não-condutoras, baratas e podem ser visualizadas na tomografia. Além disso, podem ser facilmente colocadas e modificadas. Porém, pode ser problemática a fabricação de próteses maiores, especialmente quando os defeitos são na área frontal ou temporo-basal (UNTERHOFER et al., 2017).
De acordo com Worm et al. (2016), o PMMA é um dos materiais mais usados para a reconstrução craniana, devido a sua possibilidade de moldagem, a resistência do material e os resultados estéticos satisfatórios. O uso do PMMA pode ter impacto ainda maior, sobretudo nos países em desenvolvimento, onde há carência de recursos financeiros.
De acordo com Santos Jr. (2007), existem vários tipos de cimentos ósseos comerciais baseados em PMMA e fornecidos em kits.
A partir dos componentes presentes nos kits de cimento ósseo, Mendes (2006) revela que o pó consiste principalmente de partículas de forma granulada, temperatura de fusão cristalina (Tm) igual a 160ºC e temperatura de transição vítrea (Tg) igual a 105ºC, sendo um polímero predominantemente amorfo (especificações para o pó). O homopolímero PMMA está presente nessas partículas além de copolímeros do metilmetacrilato, entre outros. O líquido, com densidade de 1,18 g/cm³, é o segundo componente e contém principalmente o monômero MMA e um ativador para o processo de polimerização.
Ao misturar os componentes (adicionando o líquido no pó), o processo de polimerização é então iniciado, ocorrendo a auto-cura e uma reação exotérmica. O processo transforma a mistura inicial em um material deformável macio e finalmente em um cimento, ocorrendo o endurecimento rápido com um aumento na temperatura, podendo atingir 90ºC, o que pode ser prejudicial ao paciente se aplicado muito quente durante a cirurgia. O aumento de temperatura ocorre pela quantidade de monômero reagindo e da composição química dos compostos do cimento. Além disso, a polimerização pode resultar na variação de volume do cimento, devido ao encolhimento da mistura no início, a expansão durante a liberação de calor e ao encolhimento repetido no final, quando esfria. De acordo com o estudo, esse processo pode ocasionar uma perda de volume de aproximadamente 8% (MENDES, 2006).
Além dos materiais comumente conhecidos, existe ainda a categoria dos Biomateriais: “são empregados em componentes implantados no corpo humano para a substituição de partes doentes ou danificadas”. Adicionalmente, esse tipo de material não deve produzir substâncias tóxicas e deve ter compatibilidade com os tecidos do corpo, ou seja, não deve causar reações biológicas (CALLISTER, 2011).
Um dos materiais que estão em evidência no uso em próteses cranianas é o PEEK – Figura 16. Esse material possui biocompatibilidade e por ser compatível com técnicas biológicas e radiológicas (não interferem na tomografia e ressonância magnética), o que faz dele um material adequado para uso na área médica. O PEEK tem propriedades mecânicas que o tornam menos denso e mais leve, se comparado com próteses feitas de outros materiais. O módulo de elasticidade do PEEK e do osso são similares (LETHAUS et al. (2012, citado por BRANDICOURT et al., 2017)).
FIGURA 16 – PRÓTESE CRANIANA BI-FRONTAL DE PEEK
FONTE: adaptada de HO et al. (2015).
O PEEK também pode ser utilizado na AM. Wu et al. (2015) propuseram a extrusão desse material e foram avaliadas as resistências de tração, compressão, flexão. Os resultados foram favoráveis ao polímero, pois apresentou melhores propriedades (em mais de 100%) que o ABS, por exemplo.
Porém, ainda representa um empecilho, o alto custo de dispositivos médicos fabricados em PEEK. O’Reilly et al. (2015) fizeram uma revisão dos procedimentos de cranioplastia que utilizaram próteses impressas de PEEK em hospitais dos Estados Unidos, avaliando 19 casos no total. Os resultados apontaram custos aproximados entre US$ 6000 e 20000, conforme o tamanho da prótese de cada paciente. Em relação aos benefícios, o estudo apontou precisão anatômica, excelentes resultados estéticos, economia de tempo na cirurgia, possibilidade de modificação da prótese no ato cirúrgico e reutilização da prótese (se a cranioplastia inicial falhar devido à infecção ou outras razões).
2.5 RECONSTRUÇÃO 3D DE ANATOMIAS
Na medicina, a AM geralmente combina soluções integradas com técnicas de imagem digital, com utilização de scanners via Tomografia Computadorizada (TC ou CT - Computed Tomography) e ressonância magnética (MRI – Magnetic Resonance
Imaging). O equipamento tradicionalmente utilizado é o tomógrafo, disponível em
hospitais e clínicas médicas. Na TC, conforme Figura 17, são obtidas imagens de partes internas do corpo de um paciente, tais como ossos, órgãos e outras estruturas (MORSCH, 2018).
FIGURA 17 – ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DA TC
FONTE: adaptada de FDA-CTFANBEAM (2017).
Um tomógrafo funciona a partir de uma fonte de raios X motorizada que gira em torno de uma estrutura circular, chamada de pórtico. Durante uma TC, o paciente encontra-se em uma cama que se move lentamente enquanto o tubo de raios X gira em torno da pessoa, disparando feixes estreitos através do corpo. Conforme os raios X transpassam o paciente, eles são captados pelos detectores e transmitidos para o computador (NIHCT, 2018).
No final do processo, são obtidas várias imagens detalhadas do paciente que são armazenadas em arquivos (MORSCH, 2018). Esses arquivos normalmente tem o formato DICOM® (Digital Imaging and Communications in Medicine), implementado
em quase todos os equipamentos. Representa o padrão internacional para imagens médicas e informações relacionadas (DICOM, 2018).
O DICOM agrupa informações em dois conjuntos de dados: um de informações do paciente com parâmetros do exame e outro com as diversas imagens da região de interesse. Um arquivo de tomografia do crânio, por exemplo, contém o ID (Identity ou identidade) do paciente, semelhante a um código de identificação, além de outras informações, tais como: nome, idade, sexo, data de aquisição, número de imagens de tomografia, instituição médica que realizou o exame, entre outras (DICOM KEY CONCEPTS, 2018).
Cada arquivo DICOM representa uma camada ou fatia da tomografia realizada, o qual corresponde a uma imagem em escala de cinza obtida através da TC, conforme ilustra a Figura 18. Conforme a variação de intensidade na escala de cinza, pode-se diferenciar o tecido ósseo dos tecidos moles do corpo humano.
Os dados obtidos a partir da TC, obtidos no formato DICOM, podem ser convertidos para o formato STL com a ajuda de algoritmos implementados em ferramentas computacionais, como por exemplo, os programas Mimics (Materialise) e InVesalius 3 (Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer - CTI).
FIGURA 18 – ARQUIVO DICOM DO CRÂNIO A PARTIR DE TC
FONTE: adaptada de HITCONSULTANT (2016).
O InVesalius 3 é um programa com licença livre, que serve para reconstrução de imagens provindas de equipamentos de TC ou MRI. O InVesalius surgiu em 2001 e possui as seguintes vantagens: licença livre, pode ser instalado na maioria dos computadores e em diferentes sistemas operacionais. Além do Brasil, o programa já foi acessado por mais de 142 países, incluindo universidades, hospitais e grandes indústrias (INVESALIUS, 2018).
De acordo com Amorim et al. (2011), seguindo o padrão DICOM, cada imagem da tomografia representa um “corte” do corpo. A reconstrução 3D representa o empilhamento desses “cortes”, interpolando os espaços entre eles, formando um volume. Para dar suporte ao formato DICOM são usadas bibliotecas virtuais e os arquivos de entrada são convertidos em uma matriz tridimensional.
