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Mar 15, 2024

Otimizando a eficiência na criação de pacientes

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12082 (2023) Citar este artigo 1015 Acessos 1 Detalhes de métricas altmétricas O design orientado a campo é uma abordagem inovadora que permite definir por meio de equações

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12082 (2023) Citar este artigo

1015 acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

O design orientado a campo é uma abordagem inovadora que permite definir através de equações entidades geométricas conhecidas como corpos implícitos. Esta tecnologia não depende de subunidades geométricas convencionais, como polígonos ou arestas, mas representa formas espaciais através de funções matemáticas dentro de um campo geométrico. As vantagens em termos de velocidade computacional e automação são evidentes e bem reconhecidas na engenharia, especialmente para estruturas treliçadas. Além disso, o design orientado para o campo amplia as possibilidades do design generativo, facilitando a criação de formas geradas pelo software com base em restrições definidas pelo utilizador. Dado esse potencial, este artigo sugere a possibilidade de utilização do software nTopology, que atualmente é o único software para design generativo orientado a campo, no contexto da criação de implantes específicos para pacientes para cirurgia maxilofacial. São discutidos cenários clínicos de aplicabilidade, incluindo trauma e cirurgia ortognática, bem como a integração desta nova tecnologia com fluxos de trabalho atuais de planejamento cirúrgico virtual. Este artigo representa a primeira aplicação do field-driven design em cirurgia maxilofacial e, embora seus resultados sejam muito preliminares por ser limitado em considerar apenas o campo de distância elaborado a partir de pontos específicos da anatomia reconstruída, apresenta a importância desta nova tecnologia para o futuro do design de implantes personalizados em cirurgia.

A cirurgia oral e maxilofacial contemporânea incorpora cada vez mais dispositivos personalizados criados usando a anatomia do paciente como modelo de orientação. Assim, os dispositivos customizados proporcionam um ajuste natural e preciso ao osso, oferecendo vantagens em termos de fácil colocação, redução do tempo cirúrgico e aumento da precisão cirúrgica1,2,3.

O advento da manufatura aditiva (AM) na área da saúde deu um forte impulso à tradução imediata de formas projetadas em implantes impressos em 3D, estendendo o conceito de personalização a um número crescente de cenários cirúrgicos. O design de implantes personalizados impressos em 3D ainda é uma questão em aberto para dispositivos de cirurgia maxilofacial e representa uma das principais razões para a busca por novas estratégias específicas para AM. Além disso, os progressos nas simulações computadorizadas, incluindo a análise de elementos finitos (FEA), levaram a uma maior confiabilidade de implantes personalizados, que podem ser submetidos a testes biomecânicos virtuais através da aplicação de forças, limites e propriedades de materiais definidos para prever áreas de deformação crítica que podem estar sujeitas a falha, permitindo melhorar a forma do implante antes de sua fabricação4,5,6.

O projeto desses dispositivos geralmente envolve o uso de software de desenho auxiliado por computador (CAD) para modelar o objeto final em uma sequência ordenada de operações de modelagem 3D, começando com uma forma vazia e usando a anatomia subjacente como referência. Este processo é convencionalmente referido como “modelagem explícita”. Assemelha-se a um processo de desenho de engenharia e resulta em uma malha com mosaico e topologia definidos pelo usuário e a sequência de operações de projeto implementadas.

Recentemente, novos pacotes de software implementaram algoritmos sofisticados para representar a geometria implícita. Matematicamente, uma superfície implícita é definida por uma função de volume contínua F(x, y, z) = 0 em um nível infinito de detalhe, o que implica que a superfície existe dentro da função matemática. A superfície é considerada implícita quando a equação não é resolvida para x, y e z. A geometria torna-se explícita quando a equação é resolvida, e uma aproximação dessa superfície é representada como uma estrutura de arame triangular (malha). A modelagem implícita depende exclusivamente de funções de volume, tornando-a uma ferramenta poderosa para definir, alterar e representar geometria 3D sem renderizar diretamente uma rede poligonal complexa de vértices, arestas e faces. Assim, os corpos implícitos são significativamente mais leves para calcular e manter a sua forma pura, uma vez que não são discretizados em subunidades geométricas, que não conseguem representar com precisão a continuidade da superfície ao custo de um uso computacional exigente. Os corpos implícitos podem ser considerados entidades relacionadas a um valor dentro de cada ponto do espaço 3D. Isso é semelhante ao modo como os campos são usados ​​na física para definir variações contínuas de quantidades como temperatura, eletromagnetismo ou fluxo. Para fins de projeto, o campo escalar define corpos implícitos, os gradientes da geometria 3D. Atualmente, nTopology (nTopology Inc., Nova York, NY, EUA) é o único software de projeto de engenharia que permite uma abordagem de Field-Driven Design, proporcionando maior flexibilidade para várias aplicações complexas, incluindo o projeto generativo e estruturas reticuladas computacionalmente exigentes7. Embora o projeto generativo orientado a campo tenha sido utilizado em diversas extensões na literatura de engenharia, pouco se sabe sobre sua aplicação na área da saúde8,9,10. Até o momento, não houve relatos de quaisquer aplicações cirúrgicas potenciais, e esta abordagem não foi implementada especificamente em cirurgia oral e maxilofacial.