Diseño de prototipo de prótesis de rodilla personalizada mediante reconstrucción 3D a partir de imágenes médicas

Abstract

El presente proyecto aborda el diseño de un prototipo de prótesis de rodilla personalizada mediante técnicas digitales de reconstrucción 3D a partir de imágenes médicas. Surge como una respuesta a las limitaciones que enfrenta la artroplastia total de rodilla (ATR) en Guatemala, donde la poca planificación preoperatoria y la poca personalización incrementa el riesgo de complicaciones postoperatorias. En un contexto donde enfermedades como la osteoartritis van en aumento y factores de riesgo como el sobrepeso, el envejecimiento poblacional y los accidentes tienen un alto nivel de prevalencia, por lo que se vuelve necesario avanzar hacia soluciones más adaptadas a cada paciente. En este contexto, se tiene como objetivo desarrollar un prototipo de prótesis de rodilla personalizada a partir de imágenes médicas obtenidas por tomografía computarizada (CT), empleando técnicas digitales de reconstrucción y modelado 3D. El proyecto consta de cuatro etapas principales: adquisición y procesamiento de imágenes médicas, reconstrucción tridimensional anatómica de la rodilla, diseño de los tres componentes protésicos adaptados a la morfología ósea, y fabricación y validación del prototipo. Los resultados demostraron una adecuada correspondencia entre las piezas prostéticas y el modelo anatómico, así como un comportamiento estructural seguro, sin deformaciones permanentes bajo cargas axiales comunes para este tipo de aplicaciones. Este proyecto presenta un primer paso hacia la aplicación de tecnologías digitales en el diseño y validación de prótesis personalizadas, contribuyendo al avance de la ingeniería biomédica y a la transición hacia una medicina más precisa y adaptada al paciente.

This project presents the design of a personalized knee prosthesis prototype through digital 3D reconstruction techniques based on medical imaging. It arises as a response to the current limitations of total knee arthroplasty (TKA) in Guatemala, where limited preoperative planning and lack of customization increase the risk of postoperative complications. In a context where osteoarthritis cases are steadily rising, and risk factors such as overweight, population aging, and tra c-related injuries are highly prevalent, it becomes essential to advance toward patient-adapted medical solutions. The main objective was to develop a personalized knee prosthesis prototype from computed tomography (CT) images, employing digital reconstruction and 3D modeling tools. The project consisted of four main stages: acquisition and processing of medical images, threedimensional anatomical reconstruction of the knee, design of the three prosthetic components adapted to the individual bone morphology, and fabrication and validation of the prototype. The results demonstrated a proper correspondence between the prosthetic components and the anatomical model, as well as a safe structural performance without permanent deformation under typical axial loads for this type of application. This project represents an initial step toward the implementation of digital technologies in the design and validation of personalized prostheses, contributing to the advancement of biomedical engineering and the transition toward more precise, patient-centered medicine.