Impressão 3D na área médica: desafios e oportunidades
Teresa Duarte, Rui J. Neto, Jorge Lino Alves, Margarida Machado
INEGI, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto
Hoje em dia, a engenharia inversa e o crescente desenvolvimento das tecnologias de modelação a
partir de imagens médicas obtidas pelas técnicas de Tomografia Axial Computorizada (TAC) e
Ressonância Magnética (RM), entre outras, permitem a construção de modelos de estruturas
anatómicas tridimensionais (CAD 3D). Com base nestes modelos tridimensionais, as tecnologias
de Fabrico Aditivo (FA) têm sido usadas para construir modelos físicos cujas principais
aplicações na área médica são [1-3]:
• Treino cirúrgico (simulação);
• Planeamento pré-operatório;
• Fornecimento de orientações durante a cirurgia (guias cirúrgicas);
• Melhoramento da qualidade do diagnóstico;
• Projeto de dispositivos de fixação osteo-integráveis;
• Fabricação de próteses à medida do paciente;
• Clarificação e esclarecimento do paciente/família e obtenção do consentimento para a
intervenção.
Uma das áreas relacionadas com a medicina onde a impressão 3D tem tido sido alvo de inúmeros
estudos é no fabrico de próteses à medida do paciente, dado que apresenta inúmeras vantagens,
designadamente:
• Redução do tempo necessário para a execução do procedimento cirúrgico;
• Redução do risco e sofrimento para o paciente;
• Montagem mais eficaz, sendo aplicada diretamente na zona danificada sem necessidade de
remoção de grande quantidade de osso saudável;
• Reparação de grandes áreas afetadas (grandes vazios);
• Fabricação de formas complexas;
• Redução do número de revisões cirúrgicas.
As imagens médicas obtidas a partir das técnicas de TAC ou RM são disponibilizadas em
formato DICOM. O processamento destas imagens e a reconstrução das zonas afetadas pelas
mais diversas causas (acidentes, tumores, etc.) são realizadas através de software tal como o
Mimics da Materialise, que conjuntamente com os softwares de biomodelação tais como o 3matic ou outros produzem ficheiros CAD 3D em formato STL para utilizar nos equipamentos de
FA [1].
Na área médica as técnicas de FA que utilizam metais são bastante comuns, no entanto têm
custos muito elevados. Assim, em muitos casos não se justifica a utilização de metais, e por isso
no fabrico de protótipos, como por exemplo de crânios para preparação de cirurgias, estes são
feitos em materiais poliméricos por estereolitografia ou outros processos [4].
Os protótipos obtidos por FA podem ser a materialização da zona anatómica afetada de modo a
promover uma validação da geometria da prótese à medida e/ou das próteses a colocar no
paciente. A utilização conjunta destes dois tipos de protótipos é o ideal para verificação de
dimensões, sistemas de fixação, espessuras a aplicar, etc. Após a realização de todo este processo
com as devidas iterações, as próteses a colocar nos pacientes podem ser produzidas por diversas
técnicas envolvendo por exemplo a fundição de precisão ou a conformação plástica. A escolha
de um ou outro processo depende sobretudo da complexidade da prótese, da sua espessura,
função (articular, de suporte ou estética), etc. É de realçar que como se trata de próteses à medida
do paciente as técnicas de FA podem elas mesmas ser utilizadas para produzir por exemplo
ferramentas a usar em conformação plástica de chapa ou modelos das próteses em cera para
utilizar como modelos perdidos em fundição de precisão. De uma forma geral as próteses finais
são obtidas em titânio e suas ligas ou ligas de cobalto-crómio, dadas as características de
biocompatibilidade e relação resistência/peso destes materiais [5-9].
É de salientar que o sucesso da utilização destas tecnologias inovadoras só é possível através da
criação de equipas multidisciplinares dado que são necessários conhecimentos tanto da área
médica, como de biomodelação, projeto, materiais e processos de fabrico. Genericamente, o
processo pode ser descrito pelo fluxograma da figura 1.
TAC/RM
Processamento de imagens médicas
Ficheiros IGES
Utilização de software para
produção de ficheiros CAD 3 D
Ficheiros STL
Fabrico Aditivo (FA)
Modelo da prótese
Modelo da área com defeito
onde vai ser aplicada a prótese
Avaliação funcional
Ficheiros STL
Alterações?
Sim
Não
Produção de moldes
e/ou modelos por FA
Produção da prótese
em Ti ou ligas de Ti
Cirurgia
Figura 1 – Fluxograma das etapas de fabrico e intervenção cirúrgica de próteses à medida do
paciente.
As figuras seguintes (figuras 2 e 3) apresentam dois exemplos de produção de próteses à medida
do paciente utilizando o FA e os processos de fabrico de próteses por fundição de precisão e
conformação plástica.
Modelo do crânio com defeito
obtido por TAC
Biomodelação da prótese
adaptada ao defeito
Biomodelação da
prótese
Prótese em SL
Ferramenta de conformação
plástica - Matriz
Ferramenta de conformação
plástica - Punção
Prótese obtida por
conformação plástica
de malha metálica
Prótese colocada no
crânio obtido por FA
para validação
dimensional e funcional
Figura 2 – Caso de estudo: Defeito crânio facial. Prótese à medida obtida por conformação
metálica de malha de Ti Cp.
DICOM
Processamento de imagem
Biomodelação
Modelo do crânio com
defeito e modelo da prótese a
fabricar já com sistemas de
alimentação para fundição
Fabrico por fundição
de precisão e prótese
metálica final
Figura 3 – Caso de estudo: Defeito crânio facial. Prótese à medida em liga de titânio, obtida por
fundição de precisão.
Conclusões
A utilização das técnicas de FA e mais especificamente de impressão 3D revelam-se muito
promissoras para facilitar a obtenção de próteses à medida dos pacientes. Estas técnicas em
conjunto com processos de fabrico mais tradicionais de fundição e de conformação plástica
permitem a obtenção num curto espaço de tempo de próteses personalizadas.
Podem ser utilizadas diversas técnicas de fabrico aditivo na área médica de acordo com o tipo de
modelo que se pretende produzir (em plástico, cera, metal, etc.).
Agradecimentos
Projeto SAESCTN-PII & DT/1/2011 co- -financiado pelo Programa Operacional Regional do
Norte (ON.2 - O Novo Norte), sob Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN), através
do Fundo de Desenvolvimento EUROPEU Regional (FEDER).
Referências Bibliográficas
[1] Richard Bibb, “Medical Modelling: The Application of Advanced Design and Development
Techniques in Medicine”, Woodhead Publishing Ltd, 2006.
[2] John Winder, Richard Bibb, “Medical Rapid Prototyping Technologies: State of the Art and
Current Limitations for Application in Oral and Maxillofacial Surgery”, J. Oral and
Maxillofacial Surgery, vol. 63[7], pp. 1006-15, 2005.
[3] Ian Gibson, “Advanced Manufacturing Technology for Medical Applications - Reverse
Engineering, Software Conversion and Rapid Prototyping”, John Wiley & Sons, Ltd., 2005.
[4] Wohlers T.T., “Wohlers Report 2013”, Wohlers Associates, CO, USA, 2013.
[5] Singare, Sekou; Yaxiong, Liu; Dichen, Li; Bingheng, Lu; Sanhu, He; Gang, Li, "Fabrication
of Customised Maxillo-facial Prosthesis Using Computer-Aided Design and Rapid
Prototyping Techniques", Rapid Prototyping Journal, vol. 12[4], pp. 206-213, 2006.
[6] F. Jorge Lino, Henrique Barbado, Teresa Duarte, Rui Neto, Ricardo Paiva, “Aplicação da
Prototipagem Rápida na Área Médica”, Revista Saúde Oral, Revista Profissional de
Estomatologia e Medicina Dentária, n º50, pp.66-74, 2006.
[7] R. Neto, T. Marques, M. Marta, N. Leal, M. Couto, M. Machado, “Digital-Based
Engineering Tools for Tailored Design of Medical Implants”, in New Trends in Mechanism
and Machine Science, Vol. 24, pp.733-741, 2015).
[8] V. Csaky, R.J. Neto, T.P. Duarte, J. Lino Alves, “A Framework for Custom Design and
Fabrication of Cranio-Maxillofacial Prostheses Using Investment Casting”, Eng Opt 2014,
4th Int. Conf. on Engineering Optimization, IST, Lisbon, Portugal, 8-11 September 2014,
Eng. Optimization 2014, Ed. By Aurélio Araújo, CRC Press 2014, ISBN: 98-1-138-027251, ebook ISBN: 978-1-315-73210-7, Taylor & Francis Group, London, pp. 941-945, 2015.
[9] N. Song, S. Wu, R. Neto, M. Machado, “Optimization of Investment Casting of Ti6Al4V
Hip Prostheses by Numerical and Experimental Methods”, 2015 IEEE 4th Portuguese
BioEngineering Meeting Porto, Portugal, 26-28 February 2015