Artículo de revista
Procedimiento para generar mallas de elementos finitos de la columna vertebral humana a partir de imágenes médicas
Autor
Jaramillo S., Hector E.
García, Andrés
Gómez salazar, Lessby
Escobar, William
García Álvarez, José Jaime
Institución
Resumen
Los modelos numéricos de elementos finitos son utilizados para simular el comportamiento mecánico de estructuras biológicas complejas como la columna vertebral humana, con el objeto de entender el desarrollo de patologías y diseñar dispositivos para su tratamiento. La generación de mallas de elementos finitos de la columna vertebral humana, a partir de imágenes médicas, demanda un trabajo intensivo, debido a la complejidad geométrica de las vértebras. Después de explorar varias técnicas de modelado, en este estudio se desarrolló un procedimiento para obtener una representación geométrica y una malla realista de segmentos de la columna vertebral, partiendo de imágenes de tomografía, las cuales fueron digitalizadas con el software Simpleware. Posteriormente se utilizó el programa Blender en la depuración, optimización y el filtrado de la nube de puntos, mediante el uso de herramientas de modelado de bajo polígono. La nube de puntos se exportó al software Catia, donde se generó, se redujo y se optimizó la malla superficial. Una vez obtenidos los modelos CAD de las vértebras L4, L5 y Sacro, se exportaron al programa SolidWorks, donde se realizó el ensamble de las partes y la construcción de las estructuras blandas de la columna, que son el disco intervertebral, el cartílago vertebral y las carillas articulares. Finalmente, con el programa Abaqus/CAE se desarrollaron las mallas de elementos finitos y se realizó un análisis de esfuerzos del conjunto, a fin de verificar la viabilidad del modelo. A diferencia de otros métodos que utilizan programas muy especializados y costosos, el procedimiento desarrollado en este estudio hace uso de programas de dominio público y comerciales, usados en el modelado mecánico y relativamente fáciles de conseguir en las universidades. Finite element models are usually used to simulate the mechanical behavior of complex biological structures such as the human spine in order to understand the cause of pathologies and design devices for their treatment. The generation of finite element meshes of the human spine from medical images is an intensive task because the complex geometry of the vertebrae. After exploring several modeling techniques, a procedure was developed to obtain a geometrical representation and a realistic mesh of spine vertebral segments from computer tomography images that were digitized with the software Simpleware. Next, the program Blender was used in the filtering and optimization of the cloud of points by applying low polygon modeling tools. The point cloud was exported to Catia software in order to generate, reduce and optimize the surface mesh. After having been developed, the CAD models of the vertebrae L4, L5 and Sacrum were exported to SolidWorks software to assembly and construct the soft structures of the spine which are the intervertebral disc, the end plates and the facet joints. Finally, the Abaqus/CAE software was used to create the finite element mesh and to perform a stress analysis in order to verify the viability of the model. In contrast to other methods that use highly specialized and expensive software, the procedure developed in this study used freeware and commercial programs for mechanical design, that are usually available in our universities