Simulación multifísica de los procesos de necrosis térmica durante el fresado robótico de hueso

Abstract

La necrosis térmica del hueso, también llamada, osteonecrosis térmica, es un trastorno que resulta en la muerte del tejido, se presenta cuando la temperatura en el hueso supera los 47º𝐶 durante más de 50 segundos, este es el umbral mayormente aceptado en la literatura. Una de las varias razones que puede ocasionar un incremento de temperatura a tal punto es el corte o mecanizado de hueso, durante intervenciones médicas que lo requieran. El fresado de hueso es una técnica que se utiliza especialmente en neurocirugía o procedimientos médicos donde se debe llevar especial cuidado por los tejidos que pueden afectarse durante el corte del hueso. En la literatura revisada durante el desarrollo de este trabajo se puede evidenciar que la mayoría de estudios enfocados a esta técnica son procedimientos experimentales con huesos animales. De acuerdo a lo anterior, se identifica una necesidad de realizar estudios, como este trabajo de investigación, orientados a la simulación de este proceso, que sea una base para definir parámetros aceptables de fresado en huesos en la practica real y que sirva como una guía inicial para el especialista médico. En este trabajo se implementó un modelo del fresado de hueso, desarrollado en el software Comsol Multiphysics, que permite resolver sistemas de elementos finitos combinando diferentes fenómenos físicos. Se realizaron varias simulaciones del modelo, cambiando parámetros del fresado como la velocidad de desplazamiento de la herramienta con respecto al hueso, la rotación de la fresa y la fuerza o carga aplicada al hueso a través de la fresa. Los resultados obtenidos mostraron que ciertas combinaciones en los parámetros pueden elevar la temperatura del hueso más allá de los 47º𝐶 generando un daño considerable en el tejido óseo, mientras que otras configuraciones mostraban resultados muy prometedores, elevando la temperatura del hueso unos cuantos grados durante un rango de tiempo que no representa peligro para la integridad ósea.

Thermal necrosis of bone, also called thermal osteonecrosis, is a disorder that results in tissue death and occurs when the temperature in the bone exceeds 47°𝐶 for more than 50 seconds, which is the most widely accepted threshold in the literature. One of the several reasons that can cause a temperature increase is the cutting or machining of bone, during medical interventions that require it. Bone grinding is a technique used primarily in neurosurgery or medical procedures where special care must be taken because of the tissues that may be affected during bone cutting. In the literature reviewed during the development of this work, it can be seen that most of the studies focused on this technique are experimental procedures with animal bones. According to the above, a need is identified for studies, such as this research work, oriented to the simulation of this process, which is a basis for defining acceptable bone grinding parameters in real practice and that serves as an initial guide for the medical specialist. In this work, a model of bone grinding was implemented and developed in the Comsol Multiphysics software, which allows for solving finite element models combining different physical phenomena. Several simulations of the model were performed, changing grinding parameters such as the tool displacement speed concerning the bone, the rotation of the drill, and the force or load applied to the bone through the drill. The results obtained showed that certain combinations of parameters can raise the bone temperature beyond 47º𝐶, causing considerable damage to the bone tissue. In contrast, other configurations showed very promising results, raising the bone temperature a few degrees during a range of time that does not represent a danger to bone integrity.