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Modelo 3D de una válvula cardíaca diseñado con software CAD

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Sistemas CAD-CAE-CAM en el desarrollo de válvulas cardíacas artificiales

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Sistemas CAD-CAE-CAM en el desarrollo de válvulas cardíacas artificiales

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Los sistemas CAD-CAE-CAM han transformado la forma en que se diseñan y elaboran las válvulas cardíacas artificiales. A través del CAD (Diseño Asistido por Computadora), se pueden crear modelos tridimensionales precisos del corazón y de la válvula, basándose en las imágenes médicas del paciente, con esto permitiendo ajustar el tamaño y la geometría del dispositivo para que se adapte a la anatomía.

El CAE (Ingeniería Asistida por Computadora) se utiliza después para simular el comportamiento del flujo sanguíneo y las fuerzas que actúan sobre la válvula. De esta forma, se pueden identificar posibles fallos estructurales y optimizar el diseño antes de fabricar el prototipo. Mientras que, el CAM (Manufactura Asistida por Computadora) convierte el modelo digital en un dispositivo físico mediante tecnologías como la impresión 3D o el fresado de materiales biocompatibles (proceso para crear implantes y dispositivos médicos a partir de materiales como titanio, zirconia o disilicato de litio).

Como se menciona en las lecturas, esta integración digital entre diseño, análisis y manufactura permite disminuir los tiempos de desarrollo, reducir errores y garantizar una mayor precisión y seguridad para los pacientes. En nuestro campo, los sistemas CAD-CAE-CAM son importantes para lograr crear dispositivos más eficientes y personalizados, contribuyendo a mejorar la calidad de vida de las personas con enfermedades cardíacas.

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Sistemas CAD-CAM-CAE en prótesis u órtesis

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Sistemas CAD-CAM-CAE en prótesis u órtesis

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Los sistemas CAD-CAE-CAM son unas de las herramientas más útiles para gran cantidad de ámbitos, pero hablando directamente de su utilidad en la Biomédica son de gran importancia para el diseño, simulación y creación de órtesis y prótesis personalizados.

Como se sabe, una de las cosas más importantes de las prótesis u órtesis es que estás se adecuen al paciente, puesto que a pesar de que puedan existir casos semejantes, cada uno tiene necesidades distintas, por lo que en el diseño de cada modelo se deben considerar factores distintos como la actividad física, la forma y el tamaño del miembro dañado o amputado, o incluso considerar la manera de sujeción a dicho miembro.

Debido a todas estas necesidades es que en muchos casos, el paciente debe acudir seguido a revisiones para comprobar que si se haya adecuado perfectamente la prótesis u ortesis al paciente; sin embargo, es aquí donde entra la importancia del CAD, ya que en lugar de que el paciente tenga que ir seguido, se puede hacer un escaneo o tomar medidas a distancia y con esto comenzar el diseño, claramente sabiendo que en algún momento debe haber interacción con el paciente para comprobar que se haya adecuado correctamente el modelo al paciente, pero el poder hacerlo a distancia y el poder ayudarse de la computadora para eficientar el diseño es de gran utilidad para todo esto, pues, aquí se puede sobreponer escaneos y formas para posteriormente unir o cortar entre ellas con el fin de moldear el diseño a las necesidades específicas del paciente.

PPosteriormente,el CAE el cual es el sistema que ayuda a la evaluación del diseño es de gran utilidad en todo este proceso de la biomédica, pues, permite evaluar factores como fuerzas, para considerar tanto el estrés o la fatiga del diseño como el que pueda tener el material con el que se creará, logrando con esto garantizar la seguridad y la durabilidad del objeto a construir.

Finalmente el CAM, el cual se encarga de la manufactura, es decir de la creación física del diseño es de gran utilidad en toda la biomédica, ya que gracias a este se puede lograr la creación de objetos de una manera muy precisa, además que permite la creación de formas que de manera tradicional no es posible hacer, lo cual abre una gran cantidad de posibilidades de moldes para los pacientes o para la carcasa de dispositivos médicos, cabe añadir que gracias a que el CAM se puede realizar con distintos materiales como puede ser filamentos médicos, PLA, entre otros, permite la creación más personalizada para el paciente, ya que se puede lograr crear el objeto sin necesidad de tener el conocimiento de como trabajar cada material, solo se requiere de saber el material que se quiere utilizar, considerar su utilidad y saber que maquina puede crear el objeto.

Por lo tanto, los sistemas CAD, CAM y CAE son de gran utilidad en todo el ámbito de la biomédica, pues permiten llegar más fácilmente al diseño, a la optimización, además de a la creación con precisión del material, gracias a la asistencia de la computadora.

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"Prótesis de Cadera y Optimización de Geometría"

Mi contribución se enfoca en CAD y CAE como herramientas para el diseño de prótesis de cadera.

Diseño CAD - Computer Aided Design: Se utiliza el software CAD para el modelado anatómico comenzando por el fémur (esta herramienta permite perzonalisar la prótesis para el paciente), así el ingeniero modela el vástago femoral y el acetábulo.

También se definen con presición las dimensiones geométricas para asegurar un buen ajuste y adaptación de la protesis al paciente. Este software es muy importante ya que tiene la capacidad de manejar geometrías complejas y muy específicas, por lo que es crucial para diseñar un buen recubrimiento para la fijación biológica.

Análisis y Validación (CAE: Computer-Aided Engineering):

Se utiliza en la simulación biomécanica. Después del modelo CAD, se importa a un software CAE para simular la prótesis en condiciones reales de carga, flexión, impacto y torsión para ver el comportamiento y funcionalidad de la prótesis. Este software es escencial ya que ayuda a identificar puntos crítcos de tensión, si el análisis muestra excesos de resistencia y mucha fatiga del material, el ingeniero debe regresar a CAD a modificar la geometría de la prótesis o cambiarle el material hasta que esta apruebe la simulación CAE.

Fabricación (CAM: Computer-Aided Manufacturing):

Ya que la prótesis pasa la simulación CAE, el diseño CAD se pasa aun oftware CAM el cual traduce la geometría digital en instrucciones de fabricación.

En la protesis de cadera, el CAM puede aplicarse mecanizado (en el vastago de titanio) y con manufactura auditiva (Impresion 3D), este funicona para el recubrimiento poroso para ayudar a una osteointegración más segura y óptima. El CAM utiliza "Laser Metal Fusión" para contruir la estructura capa por capa del material.

Este ciclo CAD- CAE - CAM, es iterativo, el modelo pasa por cada etapa hasta que la etapa anterior funciona bien, esto genera mayor precisión y un buen mecanismo robusto

Referencias:

Plc, R. (s. f.). Renishaw: Fabricación aditiva de implantes ortopédicos. Renishaw. https://www.renishaw.com/es/fabricacion-aditiva-de-implantes-ortopedicos--45020

Andrés-Cano, P., Calvo-Haro, J., Fillat-Gomà, F., Andrés-Cano, I., & Perez-Mañanes, R. (2020). Papel del cirujano ortopédico y traumatólogo en la impresión 3D: aplicaciones actuales y aspectos legales para una medicina personalizada. Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología, 65(2), 138-151. https://doi.org/10.1016/j.recot.2020.06.014

Ingeniería Mecatrónica. (2025, 10 abril). ¿Qué son CAD, CAM y CAE? La Ingeniería Digital Explicada Fácil [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=HXTKZxncJG0

Ortopédicos, P. E. (2025, 5 agosto). El sistema CAD-CAM, una herramienta que facilita y ayuda. PRIM Establecimientos Ortopédicos. https://primestablecimientosortopedicos.es/el-sistema-cad-cam-una-herramienta-que-facilita-y-ayuda/

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Desarrollo de Monitores y Sensores Biomédicos Portátiles (Wearables).

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Desarrollo de Monitores y Sensores Biomédicos Portátiles (Wearables).

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Los sistemas CAD-CAE-CAM nos han proporcionado diferentes dispositivos biomedicos portatiles, un ejemplo es el parche de electrocardiograma flexible en donde se integraron estos sistemas. El diseño CAD nos ha permitido modelar la geometria del parche, el enfoque es doble, primero se diseña una forma ergonomica, y segundo para modelar las cavidades internas que internaran el chip y la bateria. Apartir del modelo anterior, el CAE es indispensable para la validacion funcional. Se aplica el analisis de elementos finitos para simular los movimientos que podrian hacer los pacientes en el uso diario, flexion, extension y torsion . Esto nos permite prevenir y predecir los fallos por fatiga en el circuito del parche. Este sistema disimula la disipacion termica, asegura que el calor generado por los componentes internos no quemen o irriten la piel del paciente, asi se garantiza la seguridad del dispositivo. En el CAM se realiza la manifactura, una vez quel diseño realiza con exito las simulaciones CAE, se automatiza la fabricacion. Las maquinas que se utilizan para impresiones 3D de polimeros biocompatibles son controladas por este modelo. Esta impresion se utiliza para la xarcasa del nucleo electronico, tambien se utiliza para el micromecanizado laser de los electrodos sobre sustrato flexible. El CAM traduce la geometria digital en instrucciones hacia una maquina y asegura que el producto final sea como el modelo optimizado. Este proceso nos garantixza que el wearable sea funcional, estetico y que tenfa una buena estructura. Es importante seguir estos modelos para poder reducir tiempos y costos, se garantiza una seguridad y fiabilidad, aparte nos perite asegurar la precision y calidad al automatizar la manufactura con precision milimetrica. No realizar el CAE por ejemplo, podria llevar a un implante que se va bien pero que pueda fallar a los pocos meses y comprometer la salud del paciente.

Referencias:

Erazo-Arteaga, V. A. (2022). El diseño, la manufactura y análisis asistido por computadora (CAD/CAM/CAE) y otras técnicas de fabricación digital en el desarrollo de productos en América Latina. InformacióN TecnolóGica, 33(2), 297–308. https://doi.org/10.4067/s0718-07642022000200297

Erazo-Arteaga, V. A. (2022). El diseño, la manufactura y análisis asistido por computadora (CAD/CAM/CAE) y otras técnicas de fabricación digital en el desarrollo de productos en América Latina. InformacióN TecnolóGica, 33(2), 297–308. https://doi.org/10.4067/s0718-07642022000200297

Aguirre, F. V. V., Echeverria, C. D. M., & Erazo-Arteaga, V. (2017). Desarrollo de una prótesis de rodilla para amputaciones transfemorales usando herramientas computacionales. CAD - CAE - CAM. Revista UIS Ingenierías, 16(2), 23-34. https://doi.org/10.18273/revuin.v16n2-2017002