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Modelado, diseño y fabricación de prototipo de un sistema inyector de aerosoles basado en modelos anatómicos

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Academic year: 2023

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial

Modelado, Diseño y Fabricación de sistema inyector de aerosoles

basado en modelos anatómicos

TRABAJO FIN DE GRADO GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA

Autor: Marco Abellón Caselles Director: Dolores Ojados González

Codirector: Joaquín Francisco Roca González

Cartagena, a 20 de abril de 2022

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3 AGRADECIMIENTOS

Agradecer en primer lugar a mis tutores del TFG, Dolores Ojados González y Joaquín Francisco Roca González, por su dedicación y confianza para realizar este proyecto. Valoro la atención recibida y el tiempo dedicado a orientarme incluso en días festivos o en horario no lectivo.

A Héctor Flores, por su ayuda totalmente desinteresada desde el principio hasta el final y por esa visión tan optimista encontrando solución a cada obstáculo en el camino.

A mi madre, que en todo momento se ha preocupado y me ha apoyado haciéndome ver la luz al final del túnel.

A mis amigos, por demostrar interés en mi presente y futuro, por esas palabras de ánimo que sirven de empujón en los momentos más pesados.

También darme las gracias a mí mismo, por haber aprendido a aprovechar todas las horas del día para poder llevarlo todo hacia delante, lo cual me hace sentir orgulloso de haber llegado hasta aquí.

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5 RESUMEN

Este proyecto consiste en modelar, diseñar y fabricar un sistema inyector de aerosoles basado en modelos anatómicos, para simulación del fenómeno de tos humana.

Para ello, se ha estudiado la forma de conseguir el diseño en forma de modelo 3D de una cabeza real humana. Para obtener este modelo, se ha llevado a cabo el escaneado 3D de un maniquí con forma humana, y como alternativa se ha desarrollado mediante software CAD un proceso de diseño que permita modelar dicha cabeza en tres dimensiones. Una vez conseguido el modelo se ha valorado su reproducción mediante técnicas de fabricación aditiva con equipos de impresión 3D, para acoplar el sistema inyector de aerosoles, ya que es el objetivo de este trabajo.

Por otro lado, se ha diseñado un sistema formado por diferentes dispositivos que permiten generar un flujo que simula el comportamiento del fluido que expulsa una persona en forma de aerosol al toser. Como premisa, el fluido que se expulsa mediante el sistema desarrollado debe cumplir unas condiciones de presión, temperatura, velocidad, densidad y humedad lo más similares posible a la tos humana, con el fin de que el alcance de este proyecto sirva de referencia para un posterior estudio de la propagación de la tos tanto en espacios abiertos como cerrados.

Tras el proceso de trabajo se ha obtenido un procedimiento válido para la obtención de un modelo 3D de cabeza humana a la vez que el diseño, modelado 3D, fabricación mediante impresión 3D con técnicas de estereolitografía láser en resina biocompatible de un inyector integrable en el prototipo de cabeza si éste se llegara a fabricar. Asimismo, se ha estudiado y fabricado un sistema que permite simular la respuesta fisiológica que tiene un ser humano al toser, siendo el objetivo final realizar test y pruebas de funcionamiento del sistema inyector de aerosoles cuando éste expulse un fluido de condiciones similares a la tos humana.

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6 SUMMARY

This project consists of modeling, designing and manufacturing an aerosol injector system based on anatomical models, to simulate the phenomenon of human coughing.

For this purpose, we have studied how to obtain the design in the form of a 3D model of a real human head. To obtain this model, a 3D scanning of a human- shaped mannequin has been carried out, and as an alternative, a design process has been developed by means of CAD software to model this head in three dimensions. Once the model has been obtained, its reproduction has been evaluated using additive manufacturing techniques with 3D printing equipment, in order to attach the aerosol injector system, which is the objective of this work.

On the other hand, a system consisting of different devices has been designed to generate a flow that simulates the behavior of the fluid expelled by a person in the form of an aerosol when coughing. As a premise, the fluid that is expelled by the developed system must meet conditions of pressure, temperature, speed, density and humidity as similar as possible to human cough, so that the scope of this project serves as a reference for a subsequent study of the propagation of cough in both open and closed spaces.

After the work process, a valid procedure for obtaining a 3D model of a human head has been obtained, as well as the design, 3D modeling, manufacture by 3D printing with laser stereolithography techniques in biocompatible resin of an injector that can be integrated in the head prototype if it is manufactured.

Likewise, a system has been studied and manufactured to simulate the physiological response of a human being when coughing, the final objective being to test the functioning of the aerosol injector system when it expels a fluid with similar conditions to the human cough.

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7 ÍNDICE

1. CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN. ... 13

1.1. Introducción. ... 13

1.2. Antecedentes. ... 13

1.3. Estado del arte. ... 14

2. CAPÍTULO II: OBJETIVOS. ... 18

2.1. Objetivo principal. ... 18

2.2. Objetivos secundarios. ... 18

3. CAPÍTULO III: MATERIALES Y MÉTODOS. ... 20

3.1. Recursos. ... 20

3.2. Aprendizaje y documentación sobre la impresión 3D. ... 21

3.3. Metodología. ... 27

3.4. Fase I: Desarrollo del inyector 3D. ... 27

3.4.1. Estudio y contextualización. ... 27

3.4.2. Modelado y diseño del inyector en 2D y 3D. ... 32

3.5. Fase II: Diseño del modelo anatómico de la cabeza humana. ... 39

3.5.1. Estudio y contextualización. ... 39

3.5.2. Software 3D para segmentación médica. ... 47

3.5.3. Optimización del modelo. ... 71

3.6. Fase III: Revisión de los avances. ... 89

3.7. Adaptación del inyector y el reservorio. ... 91

3.8. Fase IV: Simulación de funcionamiento. ... 98

3.9. Fase V: Impresión del inyector ... 107

3.10. Fase VI: Determinación de las conexiones entre las piezas. ... 116

3.11. Fase VII: Regulación electrónica del simulador ... 123

3.12. Fase VIII: Ensayo. ... 128

4. CAPÍTULO IV: RESULTADOS ... 132

5. CAPÍTULO V: CONCLUSIONES ... 146

6. CAPÍTULO VI: REFERENCIAS. ... 149

ANEXO ... 150

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8 ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Dispersión del coronavirus. ... 14

Figura 2. Emisión de secreciones respiratorias de diferentes tamaños por parte del caso índice (emisor) a un contacto expuesto (receptor) a una distancia inferior a dos metros, con y sin mascarilla. ... 15

Figura 3. Warping. ... 22

Figura 4. Piezas con cuerpos intersectados. ... 23

Figura 5. Espesor mínimo de 0,8 mm ... 24

Figura 6. Pieza con material soporte para apoyo. ... 25

Figura 7. Comparación resistencia mecánica según la orientación de la pieza. ... 26

Figura 8. Comparativa de los triángulos de la malla. ... 26

Figura 9. Tobera convergente. ... 29

Figura 10. Tobera divergente. ... 29

Figura 11. Tobera convergente-divergente. ... 30

Figura 12. Croquis 2D. ... 32

Figura 13. Revolución del croquis 2D. ... 33

Figura 14. Croquis revolucionado. ... 34

Figura 15. Croquis para tubo. ... 35

Figura 16 Creación plano paralelo. ... 36

Figura 17. Croquis en el plano paralelo. ... 36

Figura 18. Cota del agujero de aspiración. ... 37

Figura 19. Prototipo inicial del inyector 1 ... 38

Figura 20. Prototipo inicial del inyector 2. ... 38

Figura 21. Impresión 3D. ... 39

Figura 22. Ejemplo del objetivo a conseguir en vista cenital. ... 41

Figura 23. Ejemplo del objetivo a conseguir en vista de perfil. ... 41

Figura 24. Ejemplo del objetivo a conseguir en vista de alzado. ... 42

Figura 25. Diferencia entre CAD y malla. ... 43

Figura 26. Escáner ARTEC EVA. ... 44

Figura 27. Escaneo de una figura. ... 45

Figura 28. Modelo 3D para medicina. ... 46

Figura 29. Imagen médica procedente de TC de una cabeza humana. ... 47

Figura 30. Diferencia entre CT y MRI. ... 49

Figura 31. Interfaz de 3D Slicer. ... 51

Figura 32. Ejemplos del software 3DSlicer. ... 52

Figura 33. Vistas de `MRHead´. ... 53

Figura 34. Vistas de `MRHead 2´. ... 54

Figura 35. `Segment Editor´. ... 55

Figura 36. `Herramientas de Segment Editor´. ... 55

Figura 37. `Herramienta: Paint´. ... 56

Figura 38. `Resultados obtenidos de la herramienta Paint´. ... 57

Figura 39. `Segment Editor´. ... 58

Figura 40. `Herramienta Thershold´. ... 59

Figura 41. `Rango alto de Threshold´. ... 60

Figura 42. `Rango bajo de Threshold´. ... 60

Figura 43. `Resultados 1´. ... 61

Figura 44. `Resultados 2´. ... 61

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9

Figura 45. `Errores originales del modelo´. ... 62

Figura 46. `Errores originales del modelo 2´. ... 62

Figura 47. `Interfaz de embodi 3D´. ... 64

Figura 48. `Importación archivo DICOM´. ... 65

Figura 49. `Importación archivo DICOM 2´. ... 65

Figura 50. `Selección de los archivos a importar´. ... 66

Figura 51. `Archivo DICOM importado´. ... 66

Figura 52. `Archivo DICOM en 3D´. ... 67

Figura 53. `Exportación a nrrd´. ... 67

Figura 54. `democatriz 3D´. ... 68

Figura 55. `Proceso para transformar a STL´. ... 68

Figura 56. `Resultados Meshmixer 1´. ... 69

Figura 57. `Resultados Meshmixer 2´. ... 70

Figura 58.`Errores del modelo 1´. ... 70

Figura 59. `Errores del modelo 2´. ... 71

Figura 60. Importación del modelo a SolidWorks. ... 72

Figura 61. Archivo demasiado pesado. ... 72

Figura 62. Esquema del proceso para obtener modelo sólido. ... 73

Figura 63. Nube de puntos en SolidWorks. ... 74

Figura 64. Asistente de preparación de mallas. ... 75

Figura 65. Eliminación de ruido. ... 76

Figura 66. Simplificación. ... 76

Figura 67. Suavizado. ... 77

Figura 68. Errores en la malla 1. ... 78

Figura 69. Errores en la malla 2. ... 78

Figura 70. Archivo en Geomagic. ... 79

Figura 71. Cortar la pieza a través de un plano. ... 80

Figura 72. Modelo abierto por la parte inferior... 80

Figura 73. Contorno de la nueva superficie. ... 81

Figura 74. Herramienta Fill Faces. ... 81

Figura 75. Resultado de la superficie inferior. ... 82

Figura 76. Herramienta 3D Mesh Sketch. ... 82

Figura 77. Creación de las superficies. ... 83

Figura 78. Planos para la obtención de superficies. ... 84

Figura 79. Auto surfacing. ... 84

Figura 80. Auto surfacing parte superior. ... 85

Figura 81. Auto surfacing parte media. ... 85

Figura 82. Auto surfacing parte inferior. ... 86

Figura 83. Herramienta Sew... 87

Figura 84. Modelo importado en SolidWorks... 88

Figura 85. Herramienta coser superficies. ... 88

Figura 86. Diseño 2D del inyector. ... 90

Figura 87. Diseño 3D original del inyector. ... 91

Figura 88. Nuevas cotas para adaptar el reservorio. ... 92

Figura 89. Plano creado para el croquis. ... 93

Figura 90. Extrusión del croquis. ... 93

Figura 91. Croquis para el tubo interior de aspiración. ... 94

Figura 92. Corte desde reservorio hasta garganta. ... 94

Figura 93. Plano inferior del reservorio. ... 95

Figura 94. Croquis plano inferior. ... 95

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Figura 95. Reservorio. ... 96

Figura 96. Apertura del reservorio. ... 97

Figura 97. Tapa para reservorio. ... 97

Figura 98. Ansys Fluent. ... 99

Figura 99. Geometry en Ansys Fluent. ... 99

Figura 100. Editar geometría. ... 100

Figura 101. Modelo en Geometry. ... 100

Figura 102. Retirada del espesor. ... 101

Figura 103. Malla en Meshing. ... 102

Figura 104. Sizing. ... 102

Figura 105. Malla generada... 103

Figura 106. Inflation. ... 103

Figura 107. Límites de la pieza. ... 104

Figura 108. Nombramiento de las caras. ... 104

Figura 109. Cuerpo del inyector. ... 105

Figura 110. Impresora 3D Formlab Form 3B. ... 107

Figura 111. Interfaz de Preform. ... 108

Figura 112. Advertencia sobre impresión. ... 109

Figura 113. Orientación adecuada para la impresión. ... 109

Figura 114. Vista previa de la impresión. ... 110

Figura 115. Detalles de la impresión. ... 111

Figura 116. Confirmación de la impresión. ... 112

Figura 117. Pieza cargada en la impresora. ... 113

Figura 118. Llenado del tanque de la impresora ... 113

Figura 119. Tiempo restante para finalizar la impresión. ... 114

Figura 120. Horno de curado... 115

Figura 121. Esquema del sistema. ... 116

Figura 122. Compresor aire... 117

Figura 123. Tubo tecalán 6mm. ... 117

Figura 124. Toma rápida. ... 118

Figura 125. Esquema de un nebulizador. ... 119

Figura 126. Croquis 1 Adaptador nebulizador. ... 119

Figura 127. Extrusión 1 adaptador 1/8”. ... 120

Figura 128. Resultado final adaptador 1/8”. ... 120

Figura 129. Válvula. ... 121

Figura 130. Dimensiones adaptador M22. ... 122

Figura 131. Vista final adaptador M22. ... 122

Figura 132. Arduino UNO. ... 124

Figura 133. MOS Module 2035. ... 124

Figura 134. Esquema eléctrico. ... 125

Figura 135. Regulador de presión 0-10bar. ... 128

Figura 136. Taladro en el inyector. ... 129

Figura 137. Aguja en el agujero. ... 130

Figura 138. Mezcla para el ensayo ... 130

Figura 139. Soportes para inyector. ... 131

Figura 140. Resultado final inyector en CAD... 132

Figura 141. Secado post-fabricación. ... 133

Figura 142. Resultado de la fabricación del inyector. ... 133

Figura 143. Diseño del tapón en CAD. ... 134

Figura 144. Tapón fabricado. ... 134

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Figura 145. Resultado final del busto en 3D. ... 135

Figura 146. Adaptador 1/8” fabricado. ... 136

Figura 147.Resultado de la rosca mecanizada. ... 137

Figura 148. Resultado acoplamiento nebulizador. ... 138

Figura 149. Resultado acoplamiento inyector. ... 139

Figura 150.Parte mecánica del simulador. ... 139

Figura 151. Instalación eléctrica. ... 141

Figura 152. Monitor Serie de Arduino IDE. ... 141

Figura 153. Gotas expulsadas en el ensayo a 8 bar. ... 143

Figura 154. Mesa de trabajo del inyector. ... 144

Figura 155. Gotas expulsadas en el ensayo a 6 bar. ... 144

Figura 156. Presentación final. ... 145

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12 Índice de tablas

Tabla 1. Propiedades de `Surgical Guide Resin´ . ... 112

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13 1. CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN.

Este primer apartado se centrará en introducir el proyecto, describiendo los objetivos principales y justificando la estructura a seguir para llegar al objetivo final.

1.1. Introducción.

Este proyecto nace debido a la presencia de la pandemia debida a la aparición del virus SARS-CoV-2 con la que se convive a nivel mundial desde finales del año 2019.

Esta situación de pandemia genera la necesidad de desarrollar proyectos de investigación en búsqueda de soluciones que afronten los problemas que presenta esta infección que deriva en la enfermedad de SARS-CoV-2.

Estudios realizados por investigadores expertos en la materia afirman que el SARS-CoV-2 se propaga desde la boca o la nariz de una persona infectada en forma de pequeñas partículas líquidas que expulsa cuando tose, estornuda, habla o respira. Estas pequeñas partículas van desde pequeños aerosoles hasta gotitas respiratorias de mayor tamaño.

Es por ello, que para frenar los contagios se debe estudiar la forma de propagación del virus, su alcance tanto en lugares cerrados como abiertos y la posibilidad de diseñar y fabricar EPIs que permitan a la población mantener unos hábitos de vida lo más cercanos posible al modo de vida que se llevaba antes de la existencia del virus y la aparición de contagios.

Por tanto, este trabajo pretende hacer una simulación de la respuesta fisiológica que tiene un paciente de SARS-CoV-2, creando un sistema que reproduzca dicha respuesta siendo expulsada por un inyector que puede estar acoplado a una recreación de cabeza humana que tiene la función de poder colocar EPIs sobre ella.

1.2. Antecedentes.

El coronavirus es una familia de virus que causa enfermedades que van desde un resfriado común hasta otras enfermedades más graves. La epidemia de SARS-CoV-2 fue declarada por la Organización Mundial de la Salud (OMS) como

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una emergencia de salud pública de preocupación internacional el 30 de enero de 2020.

El coronavirus SARS-CoV-2, responsable de la enfermedad SARS-CoV-2, suma más de 6,25 millones de fallecidos y más de 518 millones de personas infectadas en todo el planeta. Estados Unidos es el país con mayor cifra de muertos, con más de 999.000 fallecidos, seguido por Brasil, por encima de los 613.000; e India con más de 500.000 muertos.

Con todo, el recuento oficial de muertes por SARS-CoV-2 es sin duda inferior al exceso de muertes reales. La propia OMS estima que las cifras reales de muertes por coronavirus son dos o tres veces mayores que el recuento oficial, debido en buena parte al colapso vivido en el sistema sanitario de muchos países que ha impedido un seguimiento fiel del impacto de la enfermedad (1). En la figura 1 se puede observar la densidad de casos de coronavirus en el mundo.

Figura 1. Dispersión del coronavirus.

1.3. Estado del arte.

Con la evidencia científica acumulada, se considera que SARS-CoV-2 puede transmitirse de persona a persona por diferentes vías, siendo la principal mediante el contacto y la inhalación de las gotas y aerosoles respiratorios emitidos por un enfermo hasta las vías respiratorias superiores e inferiores de una persona susceptible. También se puede producir el contagio por contacto indirecto a través de las manos u objetos contaminados por las secreciones

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respiratorias del enfermo desde las mucosas de las vías respiratorias y la conjuntiva del susceptible.

La evidencia actual y las publicaciones más recientes, en las que participan epidemiólogos e ingenieros expertos en aerosoles, indican que el paradigma clásico para los profesionales de la Salud Pública y el control de las enfermedades transmisibles, que clasifica las emisiones respiratorias en gotas (≥5 micras) y aerosoles (<5 micras), ha de ser revisado. Todas las personas, al hablar y respirar emiten aerosoles a partir de sus vías respiratorias de diferentes tamaños que oscilan desde nanómetros hasta cientos de micrómetros (2), tal y como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Emisión de secreciones respiratorias de diferentes tamaños por parte del caso índice (emisor) a un contacto expuesto (receptor) a una distancia

inferior a dos metros, con y sin mascarilla.

El origen de este virus no está determinado con exactitud, pero se barajan diferentes opciones, entre las cuales las que más peso tienen son dos: el virus se estaba investigando en un laboratorio y por un error se contagió a los investigadores, o bien, el virus ha sido propagado desde los animales salvajes a los humanos por medio de otros animales intermedios que han hecho de vehículo del virus.

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Llegar a una conclusión de su origen no es una tarea sencilla ya que se desconoce quién fue el paciente cero, cuánto tiempo lleva habiendo infecciones puntuales entre personas o que animales han podido actuar como vehículo para los primeros contagios. Además, China, país en el que se encuentra la ciudad de Wuhan, que es donde se dieron los primeros casos de SARS-CoV-2 conocidos, no está siendo muy transparente a la hora de aportar datos a la investigación internacional que tiene como fin encontrar el origen de este virus.

En junio de 2021, un estudio alertó que la venta ilegal de animales vivos en los mercados de Wuhan era generalizada.

A toda esta incertidumbre se suma la similitud de los principales síntomas de este virus a los síntomas de un resfriado común, por lo que hace más difícil conocer cuando y como fueron los primeros casos. Hay que destacar que, aunque lo más común sea encontrar síntomas de un resfriado en pacientes, ha habido casos de gravedad extrema que han dejado múltiples secuelas en personas que no han podido llegar a recuperar su vida normal.

Además de los efectos negativos que supone la pandemia sobre toda la población a nivel de salud, de estado emocional o incluso social, ya que en la gran mayoría de países se ha impuesto el confinamiento domiciliario por un tiempo prolongado, también hay que tener en cuenta la repercusión económica que están sufriendo los países. Las estimaciones económicas de la Unión Europea sitúan la caída del Producto Interior Bruto en España en un 10,8% en 2020, aunque se preveía un incremento del 5,9% a finales del 2021; la tasa de paro está por encima del 15,5%, y continúa siendo la segunda más alta de Europa después de la de Grecia. Todo lo relatado anteriormente, obliga a la población a poner de su parte para poner solución a esta pandemia mundial, tanto en la prevención, en la investigación o en el cumplimiento de las medidas impuestas por los diferentes gobiernos.

Como se ha demostrado hasta la actualidad, predecir futuros contagios no es posible, aunque sí es razonable plantear la hipótesis de que la propagación de la mayoría de las enfermedades respiratorias sigue un patrón determinado. Y a partir de este planteamiento se hace latente la necesidad urgente de revelar las rutas de transmisión de estas enfermedades infecciosas.

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Para estudiar estas transmisiones, uno de los enfoques más importantes es simular la propagación de las enfermedades a través de la tos.

Por todo ello, nacen proyectos como el que se va a desarrollar en el presente estudio, que toma como referencia otros trabajos similares desarrollados anteriormente con el fin de estudiar la transmisión de enfermedades a través de los aerosoles generados por la tos humana.

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18 2. CAPÍTULO II: OBJETIVOS.

2.1. Objetivo principal.

El presente proyecto tiene por objetivo principal modelar, diseñar y fabricar un sistema inyector de aerosoles basado en modelos anatómicos. Este sistema debe recrear la respuesta fisiológica de un paciente de SARS-CoV-2, por lo que el inyector lanzará al exterior un flujo de un fluido que simule una mezcla de aire, saliva y mucosidad y que por tanto tendrá unas propiedades determinadas. Dicho inyector quedará integrado en una réplica de cabeza humana diseñada a partir de modelos reales en la medida de lo posible, que podrá ser materializada mediante técnicas de fabricación digital como es la impresión 3D.

La finalidad del proyecto es la de ayudar al estudio dentro del ámbito científico y sanitario ya que dentro de la sociedad son los campos más cualificados para afrontar la situación, desde la prevención de la población sana hasta la cura de la población ya contagiada. Por eso, desde el campo de la ingeniería se pretende aportar conocimientos que lleven a cabo una rápida y exitosa solución al problema que causa el virus que circula entre toda la población mundial.

Además, este proyecto puede servir para la investigación y el desarrollo de equipos de protección individual que se puedan homologar a nivel mundial como un medio de prevención del virus y se puedan comercializar a todos los posibles usuarios.

2.2. Objetivos secundarios.

Para conseguir el objetivo principal, se deben de establecer de forma secundaria unos objetivos previos:

• Estudio en profundidad de la respuesta fisiológica humana que permita desarrollar el sistema simulador, para conseguir unas condiciones similares a las reales.

• Aprendizaje de software 3D para el análisis y visualización científica.

• Aprendizaje de software de impresión 3D, así como herramientas que permitan obtener un modelo adecuado para la impresión 3D.

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• Estudio de estándares médicos como DICOM, así como la conversión de dicho estándar a formatos compatibles con impresión 3D como STL.

Una vez establecidos y cumplidos los objetivos previos que permitan el desarrollo del objetivo principal, se establecerán unas fases con orden cronológico, que serán expuestas a continuación:

• Diseñar el modelo en 2D del inyector y representar planos 2D.

• Obtener el modelo en 3D del inyector, a partir del diseño y ensamblaje de sus componentes.

• Diseñar y fabricar el modelo anatómico de la cabeza. Opciones:

o Escanear mediante equipos de digitalización 3D un maniquí para su posible impresión 3D.

o Desarrollar por medio de software 3D un diseño de una cabeza para su posterior posible impresión 3D.

o Usar como referencia un modelo estandarizado en el campo de la medicina.

• Diseñar y determinar las conexiones entre los diferentes aparatos del sistema.

• Estudiar el control del sistema por medio de un regulador para que la simulación sea lo más próxima posible a la respuesta fisiológica del paciente.

• Determinar los parámetros a aplicar a los distintos elementos del sistema con el fin de dotar de unas propiedades determinadas al fluido expulsado.

• Ensayar y obtener resultados con los que alcanzar unas conclusiones.

• Redactar la memoria del TFG para la documentación de todo el proceso de desarrollo de este estudio.

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20 3. CAPÍTULO III: MATERIALES Y MÉTODOS.

3.1. Recursos.

Para llevar a cabo este proyecto se requieren unos conocimientos previos de diseño, mecánica y electrónica, así como el hardware y el software adecuado para cada una de las etapas desarrolladas en el método adoptado.

Dado que el proyecto se ha alargado en el tiempo, se han usado distintos equipos para la redacción de la memoria, así como la instalación de los pertinentes softwares, de los cuales destacan por su uso mayoritario:

o ASUS Vivobook S14 o Lenovo ideapad Gaming 3

En ellos se han instalado tanto software de uso libre y por tanto gratuito como software de pago con licencia de estudiante como:

o SolidWorks 2020 o 3DSlicer

o Meshmixer o Blender

o Ansys 2022 R1

o Autodesk Inventor 2018 o Arduino IDE

o Geomagic

También se ha precisado el uso de las instalaciones que dispone el SEDIC del SAIT en el edificio I+D+i. Éste cuenta con equipos de fabricación digital como las impresoras 3D para la obtención de piezas y la cortadora láser, para hacer los cortes sobres los materiales para la estructura del dispositivo de tosido, o instrumentación electrónica para el desarrollo de la parte de control y programación del dispositivo, incluido el material electrónico para la regulación del sistema, como es la placa de Arduino y sus componentes, además de hacer uso de la instalación de aire comprimido para la realización de los ensayos.

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3.2. Aprendizaje y documentación sobre la impresión 3D.

Para el aprendizaje del software a utilizar en este proyecto se han consultado manuales didácticos además de multitud de cursos y tutoriales para poder dominar los distintos programas.

En este simulador se pretende crear dos piezas personalizadas para este proyector, es decir, dos piezas que anteriormente no existían y que se van a modelar, diseñar con CAD y fabricar.

Partiendo de que se trata de un trabajo fin de estudios llevado a cabo por un estudiante de la Universidad Politécnica de Cartagena, se intenta cubrir todas las necesidades que pueda tener dicho proyecto con los recursos que la universidad propone. En este caso, dicha universidad posee un gran abanico de posibilidades para fabricar una pieza con unas características determinadas ya que cuenta con un edificio dedicado plenamente a laboratorios y un taller donde cuentan con un amplio rango de maquinaria (Edificio de Laboratorios de Investigación), un edificio dedicado a la investigación y al desarrollo que cuenta con métodos de fabricación 3D (Edificio I+D+i: SAIT + IBV + CTSI) o un edificio como el de la escuela de industriales que cuenta con máquinas para la fabricación mediante CNC (ETSII).

Las dos piezas que se van a fabricar en este proyecto son piezas que se van a diseñar mediante CAD (diseño asistido por computadora) que ofrecen la posibilidad de exportar los archivos que las contienen en diferentes formatos compatibles con otros softwares específicos, piezas de las cuales solo se va a fabricar un único prototipo que tiene una geometría específica desarrollada en este proyecto.

Por tanto, consultando el catálogo de métodos de fabricación que ofrece la universidad, para evitar recurrir a empresas externas, destaca la fabricación mediante impresión 3D.

La fabricación mediante impresión 3D es una técnica relativamente moderna que plantea dos avances a las técnicas ya existentes: reducir el tiempo necesario para obtener la primera versión de un producto y eliminar varias restricciones de

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los métodos de producción tradicionales como por ejemplo producir geometrías complejas rápidamente y a bajo costo, reduciendo la pérdida de material en la producción.

La tecnología de fabricación aditiva ha revolucionado este sector permitiendo crear piezas con geometrías más complejas, con un menor coste, más fiables y fáciles de fabricar, por lo que aporta una libertad muy grande en el diseño.

Teniendo en cuenta todas las ventajas de este método de fabricación podría parecer el método idóneo para la fabricación de las piezas diseñadas para este proyecto, pero también hay que tener en cuenta las normas básicas y unas recomendaciones de diseño para una correcta fabricación mediante impresión 3D:

• Evitar ángulos rectos (esquinas de 90º) dado que son grandes concentradores de tensiones. Además, en la impresión 3D es común el llamado efecto warping que tiende a elevar las esquinas de las bases, produciendo deformaciones, como en la pieza de la figura 3.

Figura 3. Warping.

• Si hay varios cuerpos en un mismo modelo, deben combinarse y no intersecarse, debido a que cuando se exporte a un archivo STL (estereolitografía, o lenguaje de gestión de las impresoras 3D) puede

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provocar problemas en las intersecciones de ambas piezas. En la figura 4 se observan dichos problemas en las intersecciones.

Figura 4. Piezas con cuerpos intersectados.

• El modelo debe ser un sólido cerrado y no puede contener huecos, es decir, cuando se trabaje con superficies, éstas deben crear cuerpos cerrados ya que las superficies tienen espesor cero.

• Todos los elementos del modelo tienen que tener un grosor mínimo, esto dependerá del material, pero se estima que el grosor mínimo es de 0,8mm.

Un grosor de pared menor que este valor implicará que no se podrá imprimir el material, o que no tendrá la solidez necesaria. Esto depende también de la resolución y precisión de cada impresora 3D, por lo que habrá que estudiar el valor a imponer a este parámetro en la fase de diseño, para que sea factible su fabricación mediante impresión 3D en la máquina de la que se disponga.

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Figura 5. Espesor mínimo de 0,8 mm.

• Dependiendo del tipo de tecnología de fabricación, los detalles pequeños no se podrán reproducir. Generalmente, una extrusión o un vaciado de 0,3 mm o inferior no se podrá fabricar.

• Evitar las partes en voladizo que requieran de uso de soportes en la medida de lo posible. En la fabricación aditiva se basa en fabricar piezas mediante la adición de material, por lo que se asemeja a la construcción de una casa, en la que se necesitan pilares de sustentación para sujetar las partes superiores y prevenir descuelgues, como se muestra en la figura 6. Hay un punto límite que es una pared con una inclinación mayor a 45°, a partir de la cual se necesitará material de apoyo.

Se debe intentar incluir la menor cantidad de material de apoyo, dado que incrementa el tiempo de impresión, a la vez que reduce la calidad de esta, porque crea pequeñas imperfecciones en los puntos de apoyo.

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Figura 6. Pieza con material soporte para apoyo.

• La orientación de la pieza es muy importante para soportar cargas.

De ello depende la resistencia mecánica de la pieza fabricada. Si la pieza diseñada va a tener que resistir cargas a tracción, será necesario tener en cuenta su posicionamiento en la plataforma de impresión y por tanto su diseño. Como una impresora 3D fabrica piezas aplicando capa tras capa de un material, si la fuerza está aplicada en dirección perpendicular a las capas, la pieza sufrirá una delaminación. Sin embargo, si la pieza se reorienta para que la fuerza sea en la misma dirección que las capas, esta tendrá una mayor resistencia. Es importante indicar que la impresión 3D genera piezas anisotrópicas, es decir, piezas cuya resistencia a esfuerzos varía en función de la dirección de aplicación, de ahí la importancia de posicionar la pieza en la forma más adecuada para cada proceso de fabricación aditiva como se muestra en la figura 7.

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Figura 7. Comparación resistencia mecánica según la orientación de la pieza.

Dependiendo del tamaño del archivo STL, que es el formato más común en este campo se crean los cuerpos mediante una malla de triángulos y su interior es hueco, cuantos más triángulos contiene el cuerpo, menor es el tamaño de estos y más se aproxima a la pieza diseñada, el inconveniente es que esto aumenta el tamaño del archivo por lo cual se necesitan más recursos para procesar este archivo. Por el contrario, si el archivo tiene una baja resolución se obtiene un modelo con muchos ángulos y poco aproximado a la geometría buscada, como se puede observar en la figura 8.

Figura 8. Comparativa de los triángulos de la malla.

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• Si es posible, se debería disponer de una base plana para tener una superficie de apoyo mayor y por tanto conseguir una mejor estabilidad y calidad de impresión.

Bien, una vez vistas las ventajas que ofrece y las condiciones que impone la fabricación por impresión 3D, a priori parece una opción muy adecuada para la fabricación de ambas piezas dado que ninguna norma básica de las descritas anteriormente impide el diseño (3).

3.3. Metodología.

Para poder realizar el estudio completo del proyecto se han planificado distintas fases que han permitido organizar el trabajo en el tiempo, por ello es conveniente dividir el procedimiento completo en estas fases que se documentarán en este apartado.

Debido a los avances del proyecto, van surgiendo mejoras y modificaciones en los prototipos, por lo que a algunas piezas se le ha dedicado más de una fase.

Durante el progreso, se han diferenciado ocho fases claras que se describirán detalladamente a lo largo de este apartado 3.

3.4. Fase I: Desarrollo del inyector 3D.

Dado que esta primera fase se podría considerar de las más relevantes del proyecto ya que trata sobre el desarrollo de una de las piezas clave del simulador se dividirá a su vez en dos subfases:

3.4.1. Estudio y contextualización.

Como se verá más adelante, una de las partes del sistema de simulación es un inyector preparado para quedar acoplado en el modelo de cabeza humana.

Dicho inyector actúa como tobera, siendo una tobera un dispositivo diseñado para transformar la entalpía en energía cinética, esto quiere decir que una tobera

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es un dispositivo cuya aplicación en la ingeniería es el aumento de la velocidad de un flujo a consta de la disminución de la presión.

Es un dispositivo que tiene como funciones: convertir energía térmica en energía cinética, acelerar el fluido, y dirigir la corriente del fluido según un ángulo especificado. En este caso, es de interés la primera función la cual se consigue por medio de un conducto de sección variable.

Si se observan estudios de la tos humana (Zhu et al., 2006; VanSciver et al., 2011), la velocidad máxima que alcanza la tos en una boca abierta va desde los 1.5m/s a los 30 m/s, por tanto, en este simulador interesa aumentar la velocidad de salida en el inyector, para expulsar el flujo a una velocidad real que alcance una distancia similar a la que alcanzaría el aerosol expulsado por un humano.

En primer lugar, se definirá el número de Mach (M) como un número adimensional que relaciona la velocidad de un fluido (𝑉0) con la velocidad del sonido (𝑎0). Se puede representar matemáticamente de la siguiente forma:

𝑀 = 𝑉0 𝑎0

La velocidad del sonido dependerá de la temperatura, pero si se toma una temperatura de referencia de 25 ºC, la velocidad del sonido es de 346m/s.

Partiendo de la anterior expresión matemática, se dispone a comparar los diferentes valores del número de Mach:

• Si M<1, el régimen es subsónico (𝑉0 < 𝑎0).

• Si M=0, el régimen es sónico (𝑉0 = 𝑎0).

• Si M>1, el régimen es supersónico (𝑉0 > 𝑎0).

A continuación, se enumerarán los diferentes tipos de toberas y se decidirá cuál es la más adecuada:

• Tobera convergente:

En la tobera convergente, para flujo subsónico (menor que la velocidad del sonido), es decir número de Mach menor que 1, el fluido entra en

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una tobera convergente en la cual va disminuyendo la sección, la presión también disminuye y por consiguiente la velocidad aumenta.

Al aumentar la velocidad del flujo, el número de Mach también va aumentando conforme va avanzando el flujo a través de la tobera, como muestra la figura 9.

Figura 9. Tobera convergente.

• Tobera divergente:

En la tobera divergente, para flujo supersónico (mayor que la velocidad del sonido), es decir, el número de Mach es mayor que 1. El flujo entra en la tobera en la cual va aumentando la sección va aumentando, la presión disminuye y por consiguiente la velocidad del flujo aumenta.

El número de Mach, al ser proporcional a la velocidad del fluido, también aumenta, este fenómeno queda recogido gráficamente en la figura 10.

Figura 10. Tobera divergente.

• Tobera convergente-divergente:

En una tobera convergente-divergente, en la cual el flujo al entrar tiene un número de Mach menor que la unidad que va aumentando

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conforme va avanzando ya que la presión va disminuyendo y por tanto la velocidad aumentando. Cuando el flujo llega a la zona de la tobera con menor sección, llamada garganta, el flujo es sónico, es decir, avanza a la velocidad del sonido y por tanto el número de Mach es igual a la unidad.

El área de la garganta, también llamada área mínima, es donde justamente puede pasar el flujo másico máximo posible. A partir de aquí el número de Mach sigue aumentando por encima de la unidad a consta de una disminución de la presión, siendo el flujo másico supersónico hasta la salida de la tobera, esto se puede observar en la figura 11.

Figura 11. Tobera convergente-divergente.

Observando los diferentes tipos de toberas, se diseñará una tobera convergente- divergente que permita elevar la velocidad de manera notable, partiendo de un flujo que entrará a la tobera a una presión inicial superior a la presión atmosférica proporcionada por un sistema de aire comprimido. A la salida de la tobera el flujo tendrá una presión inferior a la presión de entrada, pero superior a la presión atmosférica.

Como referencia se tomará el inyector diseñado por Bo Zhang en el proyecto llamado `Diseño y caracterización de un simulador de tos´ desarrollado en el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey en 2017.

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El inyector funciona como impulsor del fluido, tal y como se ha explicado anteriormente cuando se ha explicado el principio de funcionamiento de una tobera, pero este inyector en particular tendrá una función adicional que es generar gotas gruesas como las que podría expulsar un humano al toser.

Para poder dotar de esta segunda función al inyector se pondrá en práctica el efecto Venturi que se explicará a continuación:

El efecto Venturi fue descubierto por Giovanni Battista Venturi en 1797 que detectó cambios en la presión de un fluido cuando este aumentaba o disminuía su velocidad. Por tanto, podemos definir el efecto Venturi como un fenómeno físico que consiste en que cuando un fluido en movimiento dentro de un tubo o conducto de determinada sección, atraviesa una sección menor, inevitablemente este aumenta su velocidad. Al aumentar su velocidad se descubrió que disminuye su presión (4).

Hay casos, como el que se desarrollará en este proyecto, que cuando el aumento de velocidad es muy grande, éste hace que se produzcan presiones negativas.

Por lo que, si se conecta otro tubo a este a través de un conducto, se genera una aspiración del fluido donde se produce la depresión.

En este proyecto, se conectará un tubo que vaya desde el inyector a un reservorio, consiguiendo que a través del efecto Venturi se aspiren gotas gruesas (en comparación con las gotas finas del flujo) desde el reservorio hasta el inyector. El objetivo del reservorio es añadir gotas gruesas al aerosol que contiene las gotas finas, absorbiendo la disolución del reservorio a través de la depresión generada en la garganta. Cuando el flujo que pasa por el inyector se mezcle con la disolución absorbida, ésta será descompuesta en gotas gruesas.

Además, se escogerá un material hidrofóbico que minimice el rozamiento del agua con la pared del inyector.

Algunas condiciones son determinantes para la generación de las gotas gruesas, así como el diseño del inyector también es un punto crítico. Por ejemplo, para que todo se desarrolle como se prevé, la presión del aire tendrá que tener un valor adecuado que se determinará al probarlo, el nivel de la disolución del reservorio deberá estar entre 7-10mm, el diámetro de salida del inyector será de

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25mm, la garganta de la tobera será de 12mm y el tubo que actuará como capilar entre el reservorio y el inyector será de 0,75mm

3.4.2. Modelado y diseño del inyector en 2D y 3D.

Para este proyecto se ha utilizado SolidWorks como software tanto para el diseño 2D como para el diseño 3D ya que tiene las herramientas necesarias para conseguir el modelo deseado. Se han consultado tutoriales básicos sobre el uso del software, además de tutoriales de las operaciones a realizar.

Partiendo de las dimensiones criticas descritas anteriormente, se ha diseñado el resto del inyector tomando cotas que permitan tener un modelo que respete las dimensiones críticas y a la misma vez mantenga una forma similar a la diseñada por Zhang para su proyecto.

La forma del inyector es un cilindro, por tanto, se ha diseñado un croquis que representa la geometría tanto interior como exterior.

En la figura 12, se muestra un diseño en dos dimensiones que respeta las cotas definidas en los párrafos anteriores:

Figura 12. Croquis 2D.

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Como se puede observar en la citada figura 12, el flujo iría de izquierdas a derechas recorriendo en total 100 mm dentro del inyector, pasando por una geometría convergente de 20 mm de largo que desemboca en una garganta que tiene una sección de 12 mm y 10 mm de largo y que posteriormente termina en la zona divergente de 48,60 mm que tiene una sección final de 25 mm. El diámetro exterior es de 35 mm y el diámetro interior es de 25 mm.

Al ser un cilindro, es simétrico a partir del eje de revolución representado mediante la línea constructiva (línea discontinua), por tanto, mediante una revolución de la superficie superior teniendo como eje de revolución el nombrado anteriormente se consigue la forma deseada, ya que la superficie inferior es la parte hueca del inyector la cual recorre el flujo. Todo esto puede observarse en la figura 13.

Figura 13. Revolución del croquis 2D.

SolidWorks solicita mínimo dos parámetros para ejecutar la revolución, uno de ellos es el eje de revolución y el otro es contorno a revolucionar representado en rojo en este caso. Al ser un cilindro cerrado se introduce el valor de 360 grados para que la revolución sea alrededor del eje completo.

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El resultado de la revolución del croquis mostrado anteriormente es el que aparece en la figura 14:

Figura 14. Croquis revolucionado.

Ahora bien, para este trabajo se requiere que tenga un orificio que permita la inyección de gotas gruesas, el cual se ha intentado incluir en el croquis inicial.

A continuación, se desarrollará la primera idea la cual no fue viable ya que el orificio conseguido no era circular:

La idea consiste en revolucionar el contorno superior en ambas direcciones sin llegar a cerrar la revolución completa, dejando unos grados proporcionales a los 0,75 mm que tiene el orificio. Entonces en el contorno inferior se revolucionarían los grados restantes para completar el cilindro, pero este método no es viable ya que no se consigue un orificio circular de 0,75 mm de diámetro, sino que se consigue una ranura cuadrada de 0,75 mm de lado. Por tanto, no se ha llegado a completar la operación.

Se muestra el croquis diseñado en vano para la primera idea, en la figura 15.

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Figura 15. Croquis para tubo.

La segunda opción y la definitiva consiste en llevar a cabo la revolución del croquis mostrado inicialmente, el que al ser simétrico se revoluciona 360º para completar el cilindro, obteniendo como resultado el inyector con la superficie exterior cerrada y sin ningún orificio para las gotas gruesas del reservorio. La idea ahora es crear un croquis que represente un círculo con la cota deseada en la superficie de la garganta, pero para ello es necesario un plano donde poder insertar el croquis.

Como el inyector es simétrico en dos de los tres planos que lo contienen, se crea un plano paralelo bien al `Front Plane´ o bien al `Top Plane´, ya que el tercer plano es el `Right Plane´ que es el que contiene la sección del inyector. En este caso se ha creado un plano paralelo al `Top Plane´ a 8,5 mm para que sea tangente a la superficie de la garganta como se representa en la figura 16:

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Figura 16 Creación plano paralelo.

En realidad, no es necesario que el plano sea tangente a la superficie de la garganta siempre y cuando quede por la parte interior de la superficie, ya que, al crear un corte, donde no haya parte sólida no habrá ningún cambio. De igual manera, una vez creado el croquis en dicho plano y cuando se procede a extruir el corte, se le puede dar una distancia mayor que la parte solida a cortar, ya que en el exterior del cilindro donde no hay ningún solido no habrá ningún cambio al extruir el corte. Se muestra en la figura 17 el orificio contenido en el plano tangente a la garganta, que tiene como diámetro 0,75 mm.

Figura 17. Croquis en el plano paralelo.

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Respecto el lugar donde situar el orificio, radialmente no tiene importancia ya que es simétrico en los 360º, pero en cambio, axialmente se debe colocar en el punto medio del largo de la garganta.

En este caso la cota de referencia se ha tomado de la salida del inyector al centro de la garganta, que desglosando los cálculos se obtiene de la siguiente manera:

si la garganta tiene un largo de 10 mm, la mitad es 5, a esos 5 mm se suman 21,40 y 20 que hay desde la entrada hasta la mitad de la garganta, obteniendo como resultado 46,40. Como ésta sería la distancia desde la entrada hasta la mitad de la garganta, a 100 que es largo total le restamos 46,40 y obtenemos una distancia de 53,6 mm que es la distancia desde la mitad de la garganta hasta el final. En la perspectiva visible en la figura 18, se puede ver todo lo explicado en este párrafo.

Figura 18. Cota del agujero de aspiración.

Una vez hecho el círculo con el croquis contenido en el `Plano 1´, desde operaciones se extruye un corte en dirección a la superficie exterior del cilindro, consiguiendo finalmente el resultado esperado mostrado en las figuras 19 y 20.

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Figura 19. Prototipo inicial del inyector 1

Figura 20. Prototipo inicial del inyector 2.

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3.5. Fase II: Diseño del modelo anatómico de la cabeza humana.

Esta fase que trata sobre el modelado de una cabeza con anatomía idéntica a la humana tiene una extendida trayectoria debido a la dificultad en la obtención del prototipo, con lo cual se dividirá en varios apartados dentro de una misma fase 3.5.1. Estudio y contextualización.

Como se ha hecho referencia en los apartados anteriores, la representación física de este simulador estará compuesta por un sistema funcional que es la que generará la tos que será expulsada por un inyector. Dicho inyector quedará situado dentro de un modelo que recrea una cabeza humana y que abarcará una parte importante ya que el modelado es un objetivo de este proyecto.

La fabricación de esta réplica de cabeza se podrá realizar mediante técnicas de fabricación digital como es la impresión 3D ya que posee diversas ventajas que se adecúan a los intereses de este trabajo.

El principal motivo de usar este recurso es que la Universidad Politécnica de Cartagena cuenta con diferentes impresoras 3D que permiten la fabricación aditiva que consiste en construir una pieza agregando material capa por capa a partir de un archivo de ordenador, por tanto, no es necesario recurrir a empresas externas o a terceras personas para conseguir el prototipo. En la figura 21 se puede ver un proceso de impresión 3D.

Figura 21. Impresión 3D.

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Esta técnica de fabricación digital permite fabricar rápidamente prototipos para así poder probar una pieza totalmente personalizada en un tiempo relativamente bajo. Otra ventaja que también es de gran importancia en este proyecto es que, usando esta técnica, si al fabricar el prototipo físico se detecta algún error, se puede modificar el archivo CAD y volver a imprimir una nueva versión de forma inmediata, se facilita por tanto el proceso de rediseño sin implicar altos costes o un tiempo extenso. Además, la impresión 3D tiene la ventaja de que cualquier impresora puede crear cualquier geometría que se ajuste a su volumen de construcción, con esto quiere referirse a que imprimiendo en 3D se pueden conseguir la creación y fabricación de geometrías imposibles para otros métodos tradicionales.

Aunque en este proyecto en principio no se requieren unas propiedades mecánicas demasiado exigentes, existe la posibilidad de usar una amplia variedad de materiales.

La fabricación aditiva permite la inclusión de múltiples materiales en un solo objeto, lo que permite mezclar variedad de propiedades mecánicas o texturas.

Por la parte económica, si se tiene en cuenta que la impresora ya está adquirida y no es una nueva inversión para este proyecto, tan sólo se consumirá el material necesario para el producto a obtener que tiene un bajo coste. No obstante, para cantidades de producción pequeñas la impresión 3D es el proceso de fabricación más rentable, ya que otros métodos tradicionales como puede ser el mecanizado CNC y el moldeo por inyección requieren máquinas muy costosas que además requieren operadores y técnicos experimentados para ejecutarlos o el caso de la inyección, la fabricación previa de moldes cuyo proceso de obtención es muy costoso.

Una vez se ha decidido el método por el que fabricar el prototipo, se establecen las opciones para llegar a su modelado, que en este caso se cuenta con tres opciones:

• La primera opción consiste en escanear un maniquí que esté en posesión de la UPCT ya sea porque se ha comprado, fabricado o usado para otro proyecto. Otra opción sería recurrir a maniquís que se usen para la docencia

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e investigación y para la realización de prácticas del alumnado sanitario. A partir del escaneado del maniquí se transforma. En las figuras 22, 23 y 24, se muestra a modo de ejemplo un maniquí del tipo descrito en diferentes posiciones:

Figura 22. Ejemplo del objetivo a conseguir en vista cenital.

Figura 23. Ejemplo del objetivo a conseguir en vista de perfil.

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Figura 24. Ejemplo del objetivo a conseguir en vista de alzado.

A priori, puede formularse la pregunta de por qué escanear el maniquí para volver a imprimirlo, pero si se eligiese esta opción es para obtener un modelo y a partir de ahí adaptarlo a la necesidad que se desea, como extruir un corte en la boca o en otras partes de la cabeza. Se da por hecho que también se imprimiría el mismo modelo para respetar el ejemplo que se escanea y el maniquí existente se seguiría usando para la función para la que fue adquirido.

A partir de aquí se explicará cómo es el proceso del escaneado 3D y posteriormente la impresión 3D:

Un escáner 3D genera una nube de puntos, a partir de ella, una malla, que es el formato general con el que trabajan escáneres e impresoras 3D y genera archivos con extensión stl. Un modelo de malla consta de vértices, aristas y caras que generan una representación poligonal, incluyendo triángulos y cuadriláteros

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que definen una forma 3D. Las mallas no tienen propiedades de masa y por tanto no tienen información de los objetos más allá de la posición de los triángulos que definen la forma.

En cambio, un modelo sólido contiene información sobre cómo se ha diseñado un objeto y a través de CAD (diseño asistido por computadora) se pueden modificar parámetros, tamaños y características para que el modelo se actualice y pueda sufrir cambios. Dado que las mallas no contienen información sobre la construcción del objeto, las formas de las que se puede alterar un modelo de malla son limitadas. Si se desea realizar cambios importantes en el diseño subyacente de una pieza escaneada, la malla debe convertirse en un dibujo de CAD sólido que se pueda parametrizar. La figura 25 refleja de forma gráfica la diferencia entre un modelo sólido 3D y una malla.

Figura 25. Diferencia entre CAD y malla.

Dado que ya se han expuesto las diferencias entre la malla y el sólido, se procede a describir el proceso de escaneado:

Para escanear un objeto hay que tener en cuenta que las superficies reflectantes y transparentes presentan grandes dificultades para ser escaneadas y que incluso las superficies que solo son ligeramente brillantes tienden a empeorar la calidad del escaneo, con lo cual se suele dar solución a este problema rociando el objeto con un polvo mate aplicado en spray que cubre las superficies con brillos, mejorando la precisión del escaneo.

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Una vez preparado el objeto a digitalizar, se lleva a cabo su escaneado, para ello el Servicio de Diseño Industrial y Cálculo Científico (SEDIC) de la UPCT cuenta con distintas tecnologías de escaneado, de entre las que se ha seleccionado para este trabajo, un escáner portátil de marca y modelo ARTEC EVA que es ideal para ejecutar un proceso de ingeniería inversa obteniendo un modelo 3D preciso y con textura, el tamaño de los objetos a escanear puede ser variable, siendo factible digitalizar objeto de tamaño de una persona, como puede ser un busto humano.

Además, EVA es una solución global para capturar nubes de puntos de objetos de prácticamente cualquier tipo, incluyendo objetos con superficies negras y brillantes e incluso los que presenten un ligero movimiento, ya que su velocidad de captura de puntos es muy alta. En la figura 26 se puede ver este equipo de escaneado 3D.

Figura 26. Escáner ARTEC EVA.

Una vez realizado el proceso de captura de puntos y malla procedente de escaneado, se genera un archivo de tipo malla que la mayor parte de las veces

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es extremadamente grande, dada su precisión, pero que ralentiza pasos posteriores y hace preciso una gran capacidad de computación.

Un software adecuado para reducir el modelo tanto como sea posible sin destruir detalles importantes es Meshmixer, que se ha empleado para este fin.

Ya con la malla simplificada, se importa desde un software CAD como puede ser Geomagic o el propio SolidWorks, ambos permiten editar superficies de formas complejas. Geomagic es más específico para este tipo de tareas y Solidworks incorpora un módulo desde el que se puede realizar la gestión de mallas procedentes de escaneado.

Estos programas ofrecen diversas opciones por las que extraer la forma del escaneo original y crear un modelo sólido editable con herramientas de CAD, el cual se podrá modificar a libre elección.

Cuando se tenga el modelo tal y como se desea, se exportará a formato STL y podrá ser abierto y configurado desde la impresora 3D. La figura 27 muestra el objeto físico real y su gemelo digital computacional procedente de un proceso de escaneado 3D.

Figura 27. Escaneo de una figura.

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• La segunda opción trata de usar como referencia un modelo estandarizado en el campo de la medicina. Con esto se quiere referir por ejemplo a las cabezas de silicona que se pueden usar tanto en hospitales como en universidades para fines docentes, prácticas, ejemplos para primeros auxilios. También cabría la posibilidad de pensar que los fabricantes de EPIs tengan que recurrir a estos modelos para dimensionar y crear productos ergonómicos. Sin embargo, tras indagar e investigar en busca de dicho modelo no se ha encontrado ningún resultado llegando a la conclusión de que cada centro, ya sea educativo o sanitario trabajan con modelos particulares que no están estandarizados.

Por su parte, los fabricantes de EPIs se basan en las evaluaciones clínicas, los ensayos de laboratorios externos acreditados y otros testeos para la fabricación de sus productos en concordancia con la normativa vigente en cada país o continente. La figura 28 muestra este tipo de modelo.

Figura 28. Modelo 3D para medicina.

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• La tercera opción consiste en desarrollar por medio de software 3D un diseño de una cabeza para su posterior impresión 3D. Para ello, se pretende modelar una cabeza real humana y editarla hasta conseguir el resultado deseado, ya que para poder crear un archivo en el formato adecuado para la impresora 3D se necesitan varios requisitos en el modelo a imprimir. El método a seguir en el caso de escoger esta opción sería conseguir las imágenes captadas por una resonancia magnética de la cabeza de un paciente real, como las mostradas en la figura 29, siempre que este tenga una fisionomía aparentemente genérica que sea similar a la del resto de la población en dimensiones y simetría vertical del busto.

Figura 29. Imagen médica procedente de TC de una cabeza humana.

3.5.2. Software 3D para segmentación médica.

Como se ha explicado en el apartado 3.5.1., la segunda opción que consistía en utilizar un modelo estandarizado del campo de la medicina quedaría descartada ya que no existe como tal un modelo estandarizado que se pueda descargar e imprimir en 3D a partir de un archivo en formato compatible con impresión 3D.

Ahora bien, teniendo en cuenta las otras opciones, se ha optado por empezar utilizando la tercera opción, empleando imágenes médicas, ya que puede ser más interesante para el trabajo, en el sentido de que se trabajaría implicando y relacionando diferentes campos como pueden la medicina, combinada con la ingeniería. Se busca por tanto un software 3D con el que a través de diferentes herramientas se puedan extraer los tejidos necesarios para generar la cabeza, un software se pretende también editar geometrías, y suavizar el modelo para

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que sea compatible con la impresión 3D y finalmente se empleará también el propio software de impresión 3D.

Si esta opción acarrease gran cantidad de problemas que hiciese inviable conseguir el modelo con los requisitos necesarios, se optaría por llevar a cabo la primera opción que es la que consiste en escanear un maniquí ya existente, modificarlo según necesidades y prepararlo para su impresión 3D.

El primer software con el que se ha empezado a trabajar para el desarrollo de la opción de uso de imágenes médicas a partir de las cuales encontrar el modelo 3D buscado, es 3DSlicer, el cual es un software de visualización, procesamiento y análisis de imágenes. Se usa bastante para el prototipado de aplicaciones médicas con visualización y/o procesamiento de imágenes 3D. Podría decirse que este tipo de programas actúan de intermediarios entre el modelo 3D y la impresora 3D.

Dicho software tiene gran utilidad en la segmentación médica, considerando la segmentación como el proceso de dividir todos los datos obtenidos de un cuerpo tridimensional por métodos de digitalización como la resonancia magnética (RMI) o la tomografía computarizada (TC), por ejemplo, en imágenes planas que puedan clasificarse y organizarse de forma que se agrupen en partes que contengan información de un tejido en concreto de forma discriminatoria con respecto a los otros tipos de tejido.

Esta clasificación de tejidos procedentes de imágenes obtenidas por resonancia magnética (RMI) y tomografía computada (TC), es un proceso en el cual los elementos de una imagen que representan el mismo tipo de tejido son agrupados en un solo conjunto y son referenciados en una misma clase.

Tipos de imágenes médicas usadas en segmentación:

• Tomografías Computadas (TC): procedimiento de diagnóstico que usa combinación de radiografías y técnicas computarizadas para obtener cortes transversales. Las tomografías computarizadas pueden realizarse para ayudar a diagnosticar tumores, estudiar hemorragias internas o buscar otras lesiones o daños.

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• Resonancia Magnética por Imágenes (RMI): método para producir imágenes precisas de los órganos internos del cuerpo. Estas imágenes son de gran utilidad para el diagnóstico precoz de muchas enfermedades y para una localización precisa de las lesiones en los distintos órganos.

A gran escala y teniendo en cuenta el alcance de este trabajo, la diferencia entre ambas es que la TC es más específica para la visualización de lesiones óseas, diagnóstico de patologías pulmonares o de tórax y la detección y seguimiento de enfermedades oncológicas. La Resonancia Magnética es más utilizada para examinar tejidos blandos en lesiones de ligamentos y tendones, lesiones de médula espinal y columna vertebral, patologías cerebrales, etc. En la figura 30 aparecen imágenes tipo CT y MRI.

Figura 30. Diferencia entre CT y MRI.

Barajando las imágenes médicas disponibles y en base a las necesidades de este trabajo, se llega a la conclusión de que lo idóneo sería trabajar con Resonancias Magnéticas por Imágenes (RMI) debido a que se aprecian detalladamente los tejidos y los órganos, siendo la piel el órgano que más importancia visual tiene en este proyecto.

3D Slicer es un programa que trabaja principalmente con archivos DICOM.

DICOM es un protocolo estándar de comunicación entre sistemas de información y a la vez un formato de almacenamiento de imágenes médicas que aparece como solución a los problemas de interoperabilidad entre tipos de dispositivos.

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Una imagen médica por sí misma no aporta suficiente información. Para que sea correctamente interpretada es necesario que vaya acompañada de datos del paciente y de la adquisición. Por eso formatos tradicionales como él .jpeg o el .png se quedan cortos.

En el estándar DICOM la información se define mediante un modelo que refleja el mundo real. La imagen es el núcleo de información de un fichero DICOM. Cada fichero contiene, además de la imagen, información sobre el paciente (identificación demográfica y de identificación), el estudio en el que se encuadra la toma de la imagen, la serie a la que pertenece la imagen e información sobre la propia imagen.

La principal ventaja que ofrecen las imágenes DICOM es la seguridad frente a otros sistemas similares. Una de las bases de los archivos DICOM es el protocolo que se utiliza para cifrar el traspaso de datos, este proceso permite proteger la privacidad de las imágenes, así como de cualquier archivo adjunto referente a la salud y a los datos médicos del paciente.

Los archivos DICOM tienen un papel muy importante en la nueva manera de gestionar la sanidad, por una parte, permiten digitalizar todo tipo de archivos, desde imágenes hasta datos referentes al paciente, pero, además, el formato DICOM facilita el envío de información entre profesionales del sector sanitario, un proceso posible gracias a la digitalización sanitaria.

A continuación, se describen los diferentes procedimientos que se han seguido para intentar conseguir un modelo de cabeza a través de 3DSlicer, cuya interfaz se puede ver en la figura 31

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Figura 31. Interfaz de 3D Slicer.

Cuando se abre el software, el menú de bienvenida da 6 opciones de las cuales 2 de ellas son de interés: `load DICOM data´ y `download sample data´. Con la primera opción se puede subir un archivo de DICOM y de ahí extraer los datos necesarios para conseguir un modelo 3D, y con la segunda opción el software muestra diferentes ejemplos que se pueden usar de base para trabajar con el programa.

A la derecha del menú principal ocupan la pantalla las 4 vistas del modelo con el que se está trabajando: axial, coronal, sagital y 3D, aunque se puede elegir las vistas que se desean ver de forma simultánea o individual.

El primer procedimiento que se intentará será trabajar partiendo de los ejemplos que ofrece 3DSlicer ya que uno de ellos se ajusta exactamente a lo que se va buscando: una resonancia magnética de una cabeza. La figura 32 muestra ejemplos de imágenes tratadas con este software,

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Figura 32. Ejemplos del software 3DSlicer.

Una vez que se selecciona el ejemplo `MRHead´ se carga en las tres vistas que se han nombrado anteriormente. Encima de cada vista se observa una barra con un cursor que, moviéndolo, se van mostrando los distintos planos a distinta profundidad de una misma vista. Esto se ilustra en la figura 33.

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Figura 33. Vistas de `MRHead´.

Para visualizar la vista en 3D, arriba en el menú principal hay un desplegable en el que se pueden elegir las diferentes herramientas que tiene el programa, el cual las llama módulos. El módulo que crea la vista en 3D a partir de las 3 vistas recibe el nombre de `Volume Rendering´. Para activar esta vista se ha seleccionado en `Preset´ la opción de `MR-Default´ y a la izquierda de `Volume´

se ha clicado en el ojo para que muestre la vista en 3D mostrada en la figura 34.

Referencias

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