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Marco S3DTáctico

El marco estereotáxico es un instrumental quirúrgico utilizado en neurocirugías, diseñado para guiar la herramienta del cirujano hasta un punto específico dentro del cráneo del paciente.

Antecedentes

Los marcos estereotáxicos Leksell, de construcción metálica, son los más utilizados en los quirófanos. Su elevado costo de producción hacen de esta herramienta difícil de encontrar en aulas y actividades académicas.

Ventajas

De rápida producción, bajo costo y open source, este modelo presenta una nueva forma de concebir las herramientas médicas del futuro.
Feature Image

Impreso 3D

Compuesto por 14 piezas diseñadas especialmente para ser imprimibles en plástico en un total de 72 horas.

5 movimientos

Cuenta con 5 articulaciones, que permiten alcanzar el objetivo pasando a través del agujero en el cráneo del paciente.

Sistema de nonios

Un sistema de escala - contraescala brinda una mayor precisión en cada movimiento.

Precisión

Alcanza una precisión de 3mm con un nivel de confianza del 99%.

Base ergonómica

La base está diseñada para acomodarse a cualquier tamaño o posición de la cabeza.

Visibilidad

El espacio central otorga al cirujano visibilidad y capacidad de intervenir en el punto de insición.

Avance controlado

La rosca de penetración permite controlar y regular la profundidad de la herramienta.

Versatilidad del diseño

Las piezas pueden adaptarse a cualquier tipo de intervención de similares características.

Marco S3Dtáctico disponible y gratuito en formato sólido (STL) desde Thingiverse

Presentación
Ensamble y movimientos

Diseño esquemático

El mecanismo debe contar con 5 articulaciones, regladas y ajustables, y poder configurarse para posicionar y mantener fijo, en su conjunto, su punto objetivo en cualquier posición del cráneo.

El objetivo del mecanismo es poder posicionar el punto final sobre un punto de interés en el espacio, haciendo pasar su recta de acción R por un punto específico en el cráneo del paciente. Esto lo logra a través de sus movimientos θ1, a2, θ3, α4 y d5.

Cronología de diseño

Diseñar es transitar un camino en donde el resultado final puede no estar del todo claro, pero sí las decisiones en cada paso.
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Se generaron las geometrías capaces de funcionar como cuplas de rotación y prismáticas.

Estudio morfológico
 
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Se buscó una geometría ergonómica para la base, capaz de adaptarse a distintas formas y tamaños de cráneo.

Ergonomía de la base
 
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Se incorporaron marcas de referencia y piezas auxiliares para completar el primer diseño.

Primer diseño
 
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Se detectó un reducido campo de visibilidad y debilidad en la pieza columna.

Primer prototipo
 
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Se amplió el campo de visibilidad y se rediseñó la columna para mayor robustez, agregando una rosca para permitir un avance controlado.

Segundo diseño
 
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Debido a la fragilidad de la rosca de avance, se realizó un estudio de Método de los Elementos Finitos para ayudar su rediseño.

Estudio por MEF
 
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Se utilizó la Convención de Denavit-Hartenberg para escribir un software de control, que calcule la posición final a partir de las relativas de cada articulación.

Estudio geométrico
 
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Se alcanzó satisfactoriamente un tercer diseño, robusto, con visibilidad y avance controlado.

Tercer diseño
 
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La impresión de este prototipo tardó 72hs, siendo 14 piezas y la más grande de ellas tardando 8hs en completarse.

Tercer prototipo
 
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Se realizó un ensayo de precisión, obteniendo como resultado un 25% de confianza para 1mm de tolerancia y 99% para 3mm.

Ensayo de precisión
 

Más información sobre el proceso de diseño

Diseño de marco estereotáxico local y descartable realizado por procesos de fabricación aditiva

¿Cómo funciona?

Descripción de los movimientos

A través de agujeros en sus patas ergonómicas, la base está diseñada para ajustarse a un cráneo (o a cualquier superficie convexa) a través de tornillos autoperforantes. De esta manera, queda estático y definido el punto de empotramiento del dispositivo.

La primera rotación, θ1, alrededor del eje I perpendicular a la base, solidarizada al cráneo. Esta pieza puede rotar 360º con respecto a la base.

El segundo movimiento, a2, es de traslación sobre un eje perpendicular al eje I.

El objetivo de los 2 primeros movimientos es posicionar el centro de rotación de los siguientes movimientos, de esta manera, la recta de acción R siempre pasará por esta posición.

El tercer y cuarto movimiento, θ3 y α4 respectivamente, posicionan la recta de acción R de manera que pase por el punto objetivo.

El último movimiento, controlado por un tornillo de avance, permite la penetración, sobre la recta de acción, del instrumental elegido, hasta alcanzar el punto de interés.

Precisión del artefacto

Todas las articulaciones del mecanismo cuentan con un sistema de escala de Vernier que permite ajustar con precisión cada movimiento. El sistema, similar al que poseen los calibres de pie de rey, permite aumentar la exactitud de cada medición comparando una escala contra otra.

Para posicionar un movimiento en una posición deseada, un programa calcula qué marca de la escala debe coincidir con qué marca de la contraescala. Una vez posicionadas, para garantizar la correcta ubicación y evitar movimientos posteriores, las piezas deben apretarse contra sus complementarias a través de tornillos de ajuste.

La exactitud teórica del instrumento en su conjunto es de 0,67mm. En pruebas experimentales, el prototipo construido presentó un intervalo de confianza del 27% para tolerancia de 1mm, y un 99% de confianza para una tolerancia de 3mm. Es decir, se estima que en el 99% de los casos el instrumental alcanzará una posición a menos de 3mm de distancia del punto de interés.