INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE FUNORTE / SOEBRÁS ESPECIALIZAÇÃO EM IMPLANTODONTIA MARLON CESAR MOTA PROTOTIPAGEM RÁPIDA APLICADA NA IMPLANTODONTIA

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1 INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE FUNORTE / SOEBRÁS ESPECIALIZAÇÃO EM IMPLANTODONTIA MARLON CESAR MOTA PROTOTIPAGEM RÁPIDA APLICADA NA IMPLANTODONTIA Ipatinga-MG 2010

2 MARLON CESAR MOTA PROTOTIPAGEM RÁPIDA APLICADA NA IMPLANTODONTIA Monografia apresentada ao programa de Especialização em Implantodontia do ICS-FUNORTE/SOEBRÁS NÚCLEO IPATINGA, como parte dos requisitos para obtenção do título de Especialista. Orientador: Prof. Me. Paulo Emílio Perim Ipatinga-MG 2010

3 MARLON CESAR MOTA PROTOTIPAGEM RÁPIDA APLICADA NA IMPLANTODONTIA Monografia apresentada ao programa de Especialização em Implantodontia do ICS-FUNORTE/SOEBRÁS NÚCLEO IPATINGA, como parte dos requisitos para obtenção do título de Especialista. Aprovada em de de Prof. Me. Paulo Emílio Perim Orientador ICS-FUNORTE/SOEBRÁS NÚCLEO IPATINGA Prof. Examinador ICS-FUNORTE/SOEBRÁS NÚCLEO IPATINGA Prof. Examinador ICS-FUNORTE/SOEBRÁS NÚCLEO IPATINGA

4 Aos professores que estiveram juntos durante esta jornada, sendo além de mestres, companheiros e amigos. Ao professor Paulo Emílio Perim, que acima de um orientador tornou-se um amigo dedicado na finalização deste projeto. Aos colegas de turma que compartilharam comigo nestes anos experiências e momentos alegres e tristes também, mas que nos uniram de forma maravilhosa. À Ersa que soube me entender e apoiar durante o período da especialização, e acima de tudo pelo amor e compreensão quando estive empenhado para conclusão desta monografia. Aos pacientes que aqui pude atender e com cada um aprender e aprimorar meus conhecimentos. Aos meus pais, pelo apoio, carinho e confiança que depositaram em mim em todos os dias de minha vida.

5 RESUMO O tratamento reabilitador em maxila e/ou mandíbula edêntula tem sido motivo de discussão em várias publicações científicas na área da implantodontia, e para seu sucesso são necessários um planejamento cirúrgico e protético cuidadoso. Recentemente, sistemas computacionais adicionados às tecnologias de prototipagem rápida têm sido utilizados como uma importante ferramenta otimizando os resultados. Portanto, a utilização de biomodelos no planejamento das reabilitações de maxilas e/ou mandíbulas edêntulas tem-se tornado uma rotina, pois reduz o custo global do tratamento, possibilita simulações cirúrgicas prévias, elimina erros potenciais e conduz a resultados mais previsíveis. Assim sendo, a partir de uma revisão da literatura, este trabalho se propõem a apresentar a prototipagem rápida como recurso auxiliar no planejamento das reabilitações cirúrgicas de maxilas e/ou mandíbulas edêntulas, facilitando a comunicação entre os profissionais de uma mesma equipe cirúrgica e o paciente. Palavras-chaves: 1. Prototipagem rápida 2. Implantodontia 3. Edêntula 4. Biomodelos.

6 ABSTRACT The rehabilitation treatment in edentulous maxillae and/or mandible patients has been reason of quarrel in some scientific publications in the area of the implantodontie, and for its success they are necessary careful a surgical and prosthetic planning. Recently computational systems added to the technologies of rapid prototyping have been used as an important tool optimizing the results. Therefore, the use of bio-modelling in the planning of the edentulous maxillae and/or mandible patients has become a routine, therefore it reduces the global cost of the treatment, makes possible previous surgical simulations, it eliminates potential errors and it leads the results most previsible. Thus being, from a revision of literature, this work if considers to present the rapid prototyping as resource auxiliary in the planning of the surgical whitewashing of edentulous maxillae and/or mandible patients, facilitating the communication enters professionals of one same surgical team and the patient. Key words: 1. Rapid prototyping 2. Implantodontie 3. Edentulous 4. Bio-modelling.

7 LISTA DE ABREVIATURAS 2D - Bidimensional 3D - Tridimensional CAD - Computed Aided Design CAM - Computed Aided Manufacturing CLI - Common Layer Interface DICOM - Digital Imaging and Communications in Medicine DSPC - Direct Shell Production Casting FDM - Modelagem por deposição fundida (Fused Deposition Modeling) IGES - Initial Graphics Exchange Specification IJP - Ink Jet Printing (Impressão a Jato de Tinta) LOM - Laminated Object Manufacturing (Manufatura Laminar de Objetos) MIT - Massachusetts Institute of Technology mw - Mili Watts nm - Nanômetro PLT - Paper Lamination Technology (Tecnologia com Lâmina de Papel) PR - Prototipagem Rápida RM - Ressonância Magnética SGC - Solid Ground Curing SL - Estereolitografia (StereoLithograpy) SLC - Slice SLS - Sinterização Seletiva a Laser (Selective Laser Sintering) STL - StereoLithograph TC - Tomografia Computadorizada TCI - Tomografia Computadorizada Interativa UV - Ultravioleta

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Tomografia Volumétrica 3DX Accuitomo (Morita, Japão) Figura 2: Tomógrafo convencional linear Quint Sectograph Figura 3: Tomógrafo computadorizado volumétrico I-Cat Kavo/Imaging Sciences Figura 4: Imagens da tomografia computadorizada em reconstrução tridimensional Figura 5: Esquema do processo de estereolitografia Figura 6: Volume de preparo para iniciar a prototipagem de modelos em estereolitografia Figura 7: Máquina 3D System SLA de prototipagem dos modelos em estereolitografia Figura 8: Modelos prototipados Figura 9: Modelos prontos esperando a secagem da resina Figura 10: Cura final em um forno ultravioleta Figura 11: Modelo estereolitográfico transparente Figura 12: Princípio da tecnologia Polyjet Figura 13: Princípio de funcionamento do processo IJP 3D Figura 14: Volume de preparo para a inicialização da prototipagem dos modelos em opaco. 30 Figura 15: Máquina Zcorporation de prototipagem dos modelos em opaco Figura 16: Modelo prototipado assim que a máquina termina a produção Figura 17: Retirada do excesso de pó do modelo Figura 18: Modelos prontos para serem enviados Figura 19: Princípio do processo FDM da Stratasys, Inc Figura 20: Esquema do processo de sinterização seletiva a laser Figura 21: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são visíveis as partes hiperdensas do corte Figura 22: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são segmentadas somente as partes hiperdensas do corte... 35

9 Figura 23: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são filtradas somente as partes de interesse do corte Figura 24: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são filtrados dois objetos distintos do corte Figura 25: Volume 3D de um projeto mandibular, em que é visível a triangulação STL Figura 26: Esquema dos dados até o biomodelo Figura 27: Marcação no protótipo dos possíveis locais para a instalação dos implantes nos locais com maior quantidade de osso remanescente Figura 28: Marcação no protótipo dos possíveis locais para a instalação dos implantes nos locais com maior quantidade de osso remanescente Figura 29: Perfurações na posição e direção do implante a ser instalado no paciente Figura 30: Perfurações na posição e direção do implante a ser instalado no paciente Figura 31: Pinos guia da cirurgia mostrando a posição dos 06 implantes a serem instalados. 41 Figura 32: Demarcação no protótipo do tamanho que o guia cirúrgico deverá ter Figura 33: Vista do guia cirúrgico confeccionado em resina acrílica termopolimerizável já com os tubos metálicos que orientaram a perfuração inicial Figura 34: Guia cirúrgico sobreposto no protótipo Figura 35: Vista oclusal do caso inicial Figura 36: Vista do remanescente ósseo após a incisão e o retalho totalmente rebatido Figura 37: Guia instalado sobre remanescente ósseo sem sofrer interferência do retalho Figura 38: Guia fixado com o auxílio dos parafusos de enxerto (setas) Figura 39: Pinos guias inseridos através dos tubos metálicos do guia cirúrgico, mostrando a orientação das perfurações Figura 40: Vista oclusal dos implantes instalados Figura 41: Guia cirúrgico sobreposto ao rebordo a fim de orientar a posição dos implantes para a segunda fase cirúrgica (reabertura) Figura 42: Vista oclusal dos cicatrizadores... 45

10 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVO REVISÃO DA LITERATURA BREVE HISTÓRICO DA PROTOTIPAGEM MÉTODOS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEM Radiografia periapical Radiografia panorâmica Tomografia computadorizada (TC) Tomografia computadorizada interativa (TCI) Imagem por ressonância magnética (RM) TIPOS DE TECNOLOGIAS USADAS NA PROTOTIPAGEM Sistema baseado em líquidos para prototipagem Estereolitografia (SL) Impressão a jato de tinta (IJP) PolyJet Impressão a jato de tinta (IJP) 3D Sistemas baseados em sólido para prototipagem Modelagem por fusão e deposição (FDM) Processo baseado em pó para prototipagem Sinterização seletiva a laser (SLS) PROCESSAMENTO DA IMAGEM OBTIDA PARA A CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO Obtenção do arquivo STL PROTÓTIPOS E GUIAS CIRÚRGICOS DISCUSSÃO... 46

11 5. CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 49

12 12 1. INTRODUÇÃO A reabilitação de pacientes com perda de elementos dentários, total ou parcial, tem se constituído em um dos maiores desafios da implantodontia moderna. Nestes casos, torna-se extremamente difícil retomar hábitos simples como a mastigação, fala e integração social sem a necessidade de procedimentos mais invasivos como cirurgias avançadas, como levantamento da mucosa do seio maxilar com a utilização de enxertos ósseos (MERLO et al., 2008). O tratamento reabilitador de maxila através de implante osseointegráveis sempre proporcionou grandes desafios para a implantodontia contemporânea. Desde o início da odontologia, as dificuldades de reabilitação protética sempre foram atribuídas à mandíbula, quando comparadas à maxila. Com a introdução dos implantes osseointegrados, o problema de estabilização de próteses totais inferiores foi completamente solucionado. Na maxila, porém os resultados de reabilitações totais através de implantes osseointegrados nunca atingiram o mesmo nível de sucesso. Particularidades anatômicas referentes a ela contribuíram para este insucesso, tais como: qualidade e quantidade óssea escassa; acidentes anatômicos limitantes com fossa nasal, seios maxilares e concavidades ósseas vestibulares; bem como o problema da discrepância provocada por reabsorções severas que dificulta a correta posição dos dentes protéticos (NARY FILHO et al., 2006). Estruturas anatômicas como seios maxilares pneumatizados, cavidade nasal e canal nasopalatino, foram ementoal, trajeto do nervo alveolar inferior, constituem restrições para a cirurgia, criando dificuldades para instalação de um número adequado de implantes com comprimento suficiente e posicionamento ideal para suportar reabilitações protéticas satisfatórias do ponto de vista estético, fonético e funcional. Diferentes filosofias e possibilidades terapêuticas têm sido apresentadas, com variados graus de complexidade, morbidade, custos e evidência científica. Os procedimentos reabilitadores da maxila edêntula podem ser divididos em dois grandes grupos: as técnicas de ancoragem, onde podemos destacar os implantes inclinados e as fixações zigomáticas; e as técnicas reconstrutivas que englobam as diversas modalidades de enxerto ósseo (BEZERRA et al., 2004).

13 13 Aliado aos implantes osseointegrados, o progresso em tecnologia computadorizada e o processamento das imagens médicas, aplicamos nessa nova proposta de tratamento, a prototipagem. Dentre todos os novos recursos disponibilizados para tais reabilitações, aquele que maior impacto tem gerado na decisão clínica em relação à melhor opção terapêutica, sem sombra de dúvida foi a possibilidade da utilização de tomografias computadorizadas complementadas por um mapeamento digital através de programas computadorizados que tornaram viável uma correta avaliação tridimensional da estrutura óssea remanescente, antecipando limitações e dificuldades e as contornando previamente ao ato operatório e a reabilitação protética através da construção de um biomodelo (protótipo) da estrutura a ser reabilitada. A prototipagem rápida baseia-se no principio da construção de uma estrutura tridimensional (3D), camada por camada. O resultado final é um modelo físico, em tamanho real, da região anatômica escolhida, onde se pode planejar a posição, distribuição e tamanho dos implantes a serem colocados, bem como facilitar a confecção de um guia cirúrgico (DINATO et al., 2004). Prototipagem rápida é o nome genérico dado a um conjunto de tecnologias capazes de fabricar modelos físicos a partir de dados tridimensionais originados de um computador. Esta tecnologia permite a execução de um projeto e fabricação do modelo muito mais rápido que os modos convencionais de fabricação de moldes. A prototipagem rápida possibilita a visualização e testes de objetos antes da confecção definitiva minimizando custos, fator essencial no mercado moderno (WINDER; BIBB, 2005). O resultado final da prototipagem rápida é a construção de uma estrutura 3D, camada por camada, não havendo assim limite para a geometria a ser construída, tendo assim um modelo físico em escala real para planejar a posição, distribuição e tamanho dos implantes a serem colocados, bem como facilitar a confecção de um guia cirúrgico mais preciso (DINATO et al., 2004). Os estudos preliminares sugerem que a modelagem das estruturas anatômicas do complexo maxilo-mandibular, por meio da prototipagem biomédica, utilizando os dados da tomografia computadorizada, é uma técnica que pode ser aplicada no planejamento cirúrgico dos implantes e no ensino de anatomia (MAZZONETO et al., 2002). Os biomodelos de prototipagem rápida são protótipos biomédicos obtidos a partir de tomografia computadorizada, ressonância magnética e ultrassonografia. Podem ser utilizados

14 14 com objetivos didáticos, no planejamento cirúrgico, facilitando, também, a comunicação entre o cirurgião e o profissional (MEUER et al.,2003).

15 15 2. OBJETIVO A presente monografia propõe a fazer uma revisão da literatura sobre o uso da prototipagem rápida na implantodontia, observando através de um histórico o desenvolvimento desta técnica até aos sistemas de prototipagem rápida disponíveis hoje em dia para a confecção de biomodelos. Será feito também uma abordagem sobre os métodos para processamento de imagens e obtenção dos guias multifuncionais, bem como será feita uma avaliação sobre as vantagens do emprego desta técnica, a fim de proporcionar maior previsibilidade em todo o transcorrer do processo reabilitador.

16 16 3. REVISÃO DA LITERATURA 3.1 BREVE HISTÓRICO DA PROTOTIPAGEM Os primeiros sistemas de prototipagem rápida surgiram a partir de 1987 com o processo de estereolitografia (StereoLithography SL) da empresa americana 3D Systems, processo solidificador de camadas (layers) de resina fotossensível por meio de um laser. O sistema SLA-1, o pioneiro em sistema de prototipagem disponível de forma comercial foi um precursor da máquina SLA-250, bastante popular nos dias de hoje. Após a empresa 3D Systems começar a comercialização das máquinas SL nos EUA, as empresas NTT Data e Sony/D-MEC passaram a comercializar suas versões de máquinas de estereolitografia em 1988 e 1989, respectivamente. Logo em seguida, em 1990, a empresa Eletro Optical Systems (EOS) na Alemanha, passou a comercializar o sistema conhecido como Stereos. Posteriormente vieram as tecnologias conhecidas como Fused Deposition Modeling (FDM) da empresa americana Stratasys, Solid Ground Curing (SGC) da israelense Cubital e Laminated Object Manufacturing (LOM), todas em A tecnologia FDM faz a extrusão de filamentos de materiais termoplásticos camada por camada, semelhante à estereolitografia, só que utilizando um cabeçote de fusão do material em vez de cabeçote laser. A SGC também trabalha com resina fotossensível a raios ultravioleta, só que solidifica cada camada numa única operação a partir da utilização de máscaras criadas com tinta eletrostática numa placa de vidro. A LOM solidifica e corta folhas de papel (atualmente folhas termoplásticas reforçadas com fibras) usando laser controlado por computador. Sistema de sinterização (Selective Laser Sintering SLS) da empresa americana DTM e o sistema Soliform de estereolitografia da empresa japonesa Teijin Seiki tornanaram-se disponíveis a partir de Usando o calor gerado por um laser, a SLS funde pós-metálicos e pode ser utilizado para obtenção direta de matrizes de injeção. Em 1993, a empresa americana Soligen comercializou um produto conhecido como Direct Shell Production Casting (DSPC), que utiliza um mecanismo de jato de tinta para depositar líquido agregante em pós-cerâmicos para produção de cascas que podem, por sua

17 17 vez, ser utilizado na fabricação de moldes e peças injetadas em alumínio, processo este desenvolvido e patenteado pelo Massachussets Institute of Technology (MIT). No ano de 1994, muitas outras tecnologias e sistemas surgiram, tais como: Model Maker da empresa americana Sanders Prototype, o qual usa sistema de jato de cera (ink-jet wax); Solid Center da empresa japonesa Kira Corp utilizando um sistema com laser guiado e um plotter XY para confecção de moldes e protótipos por laminação de papel; Sistema de esterelitografia da empresa Fockele & Schwarze (Alemanha); Sistema EOSINT da empresa alemã EOS, baseado em sinterização; Sistema de estereolitografia da empresa japonesa Ushio. O sistema Personal Modeler 2100 da empresa Ballistic Particle Manufacturing (BPM) Technology (EUA) foi vendido comercialmente a partir de A máquina produz peças a partir de um cabeçote a jato de cera. No mesmo ano a empresa Aaroflex (EUA) passou a comercializar o sistema SMOS em estereolitografia da multinacional DuPont, e a empresa Stratasys (EUA) lançou seu produto Genisys, baseado em extrusão, similar ao processo de FDM, mas utilizando sistema de prototipagem desenvolvido pelo Centro de Desenvolvimento IBM (IBM s Watson Research Center). Também em 1996, após oito anos comercializando produtos em estereolitografia, a empresa 3D Systems (EUA) comercializou pela primeira vez sistema Actua 2100, o qual é baseado em impressão a jato de tinta 3D. O sistema deposita materiais em cera, camada por camada, através de 96 jatos. No mesmo ano, Z Corp. (EUA) lançou seu sistema Z402 3D para prototipagem baseado na deposição de pós-metálicos em 3D. Muitas outras tecnologias e empresa apareceram e desapareceram durante os anos. Companhias como a Light Sculpting (EUA), Sparx AB (Suécia) e Laser 3D (França) desenvolveram e implementaram sistemas de prototipagem, mas não tiveram grande impacto industrial. Nos EUA, atualmente somente uma empresa estrangeira, a israelense Cubital, mantém escritórios de venda (CARVALHO et al., 2006).

18 MÉTODOS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEM O exame radiográfico é um exame complementar de grande valor para o planejamento e controle pós-operatório do tratamento com uso de implantes osteointegrados. Após a anamnese e o exame clínico inicial, a precisa indicação de um exame radiográfico adequado otimiza o resultado final, minimizando os casos de insucesso e evitado surpresas desagradáveis. A interpretação radiográfica representa um dos mais importantes passos na avaliação pré e pós-operatória dos implantes osseointegrados. Dentre as técnicas disponíveis atualmente, nenhuma pode ser considerada a modalidade ideal. Deve-se lançar mão da combinação de diferentes técnicas, de acordo com a complexidade e a peculiaridade de cada caso, a fim de que se alcance os melhores resultados com o mínimo custo financeiro e amenor dose de radiação possível (DINATO et al., 2004). A radiologia evoluiu muito, o que possibilitou aos profissionais terem recursos diversificados, partindo de uma radiografia intrabucal até ao uso das tomografias computadorizadas com reconstruções odontológicas tridimensionais e prototipagem. Didaticamente podemos classificar os exames radiológicos em analógicos ou digitais, e bidimensionais ou tridimensionais. Sendo que os exames analógicos consistem naqueles obtidos através de filme radiográfico e aqueles digitais são obtidos através da utilização de sensores especiais. Os exames bidimensionais podem ser analógicos ou digitais, como a radiografia intrabucal, panorâmica, radiografia extrabucal e tomografia convencional (lineares ou multidirecionais). Os exames tridimensionais são exclusivamente digitais, pois permitem a reconstrução dos dados adquiridos e formação de uma imagem tridimensional. Como exemplo, podemos citar a tomografia volumétrica, tomografia computadorizada e a ressonância magnética.

19 Radiografia periapical Esta técnica permite uma observação em detalhes do trabeculado ósseo, que podem indicar a presença de absorções ou condensações ósseas, reabsorções da lâmina dura, demonstrando um processo ativo de doença periodontal local, e uma avaliação das alterações no leito ósseo do implante. A fim de diminuir as distorções desta radiografia, é utilizada com grande frequência a técnica do paralelismo, pois possui menor distorção em relação a técnica da bissetriz. Grades radiográficas radiopacas milimétricas, que algumas vezes são dadas em Endodontia, sobrepostas aos filmes antes de serem usados, tem pouco valor quantitativo e ofuscam a anatomia subjacente, além de não compensar o aumento (MISCH, 2006). Esses filmes são usados cm frequência para implantes unitários em regiões de largura óssea abundante (MISCH, 2006) Radiografia panorâmica São utilizadas para avaliação qualitativa da situação óssea do paciente, possibilitando uma avaliação da maxila, mandíbula e das estruturas circunvizinhas como um todo, em uma única tomada radiográfica, com baixa dose de exposição e custo acessível. Uma radiografia panorâmica ideal deve possuir dentes (quando presentes) e estruturas circunvizinhas nítidas. Porém essa técnica não permite uma avaliação quantitativa por serem tendenciosas as distorções que podem variar de 20% a 40% dependendo do equipamento e posicionamento do paciente. Estruturas usadas como guias diagnóstico, contendo materiais radiopacos previamente medidos como esferas metálicas, fios metálicos ou bastões de guta, têm sido usadas pelo paciente durante o exame radiográfico panorâmico para obter-se assim uma análise quantitativa de aumentos na radiografia.

20 Tomografia computadorizada (TC) É uma técnica de imagem digital e matemática, que cria cortes onde as imagens tomográficas não estão contaminadas pelas estruturas ofuscadas da anatomia adjacente. Esta técnica permite a diferenciação e quantificação dos tecidos moles e duros. De acordo com Chilvarquer et al. (2005), a tomografia computadorizada é uma técnica radiográfica que incorpora os princípios de digitalização direta de imagem, ou seja, são imagens eletrônicas obtidas por meio de radiografias seccionais de uma determinada parte do corpo humano. Descrevem que o feixe de raios-x é extremamente colimado e atinge as secções desejadas do corpo em centenas de regiões diferentes. Devido à grande variabilidade dos coeficientes de atenuação e de absorção dos tecidos atingidos pela fonte de raios x, os detectores recebem diferentes níveis de sinais que são decodificados no computador numa escala de tons de cinza denominada de escala Hounsfield (HU). Segundo Books (1993), a tomografia computadorizada apresenta diversas vantagens em relação aos exames radiográficos convencionais, tais como não haver a sobreposição de estruturas anatômicas presente nas técnicas radiográficas convencionais. A tomografia computadorizada permite a observação de finas camadas do corpo humano devido à aquisição da imagem em cortes seccionais de diferentes planos. Outra vantagem é a possibilidade de visualização do tecido mole fornecendo mais informações, principalmente em relação a interpretação de tumores. Entretanto, a tomografia computadorizada apresenta desvantagens quando comparadas aos exames radiográficos convencionais como o alto custo do exame, a alta dose de radiação e as produções de artefatos em decorrência de objetos metálicos. São produzidos cortes axiais da anatomia do paciente perpendiculares ao longo eixo do corpo. A fonte de raios X, que esta acoplada de maneira rígida a uma série de detectores com geometria de feixe em leque, rotacionam 360 ao redor do paciente e coletam dados (Figuras 1, 2 e 3). Os detectores de imagem podem existir em estado sólido ou gasoso, o qual produz sinais eletrônicos que servem como dados de entrada a um computador reservado que processa os dados usando técnicas de retroprojeção com algoritmo de Fourier para produzir as imagens na tomografia computadorizada. Essas imagens são digitais e tridimensionais de 512x512 pixels com espessura de corte descrita pelo espaçador do corte na técnica de imagem. O elemento individual de imagem em tomografia computadorizada é chamado de

21 21 voxel, que possui valor, referido como unidades Hounsfield, que descreve a densidade da imagem naquele ponto obtido. Cada voxel contém 12 bits de dados e varia de 1000(ar) a +3000(esmalte/restauração dentária) unidades de Hounsfield, que descreve a densidade da imagem naquele ponto. Figura 1: Tomografia Volumétrica 3DX Accuitomo (Morita, Japão) Figura 2: Tomógrafo convencional linear Quint Sectograph (ampliação fixa da imagem em 10%) Figura 3: Tomógrafo computadorizado volumétrico I-Cat Kavo/Imaging Sciences

22 22 As imagens em tomografia computadorizada são de natureza tridimensional (Figura 4). As imagens contíguas descrevem a estrutura tridimensional dos voxels. O computador que gera a imagem original pode criar imagens secundarias de qualquer perspectiva pela nova projeção e reformatação dos dados tridimensionais do voxel, ou mesmo poderá ser usado um computador secundário para realizar a formatação ou processamento das imagens dos dados originais da tomografia computadorizada, que será então denominado de estação de trabalho (MISCH, 2006). Figura 4: Imagens da tomografia computadorizada em reconstrução tridimensional Um trabalho publicado por Winter et al. (2005) descreve os benefícios e as aplicações na odontologia de uma técnica tridimensional da imagem latente conhecida como tomografia volumétrica. A tecnologia da tomografia volumétrica requer menos radiação (até 95% menos) quando comparado aos tomógrafos médicos convencionais, verificaram também que a tomografia volumétrica é mais precisa, pode capturar imagens da maxila e da mandíbula em uma única rotação da fonte de raios x e possui um melhor custo-benefício aos pacientes. Esta descoberta tecnológica permitiu aos dentistas alcançarem melhores diagnósticos e tratamento para seus pacientes. Estes exames estão indicados para planejamento prévio a cirurgia de implantes, avaliação das articulações têmporo-mandibulares, localização de estruturas anatômicas, além de possibilitar que programas especiais orientem a fabricação de guias cirúrgicos exatos e também produzir arquivos DICOM (Digital Imaging and Comunications in Medicine) para a produção de modelos de prototipagem rápida. Uma vez que os atuais scanners da tomografia computadorizada produzem uma imagem com resolução geométrica similar à da imagem plana, e onde temos a densidade das estruturas dentro da imagem de maneira absoluta e quantitativa, é possível a diferenciação dos

23 23 tecidos moles e duros da região, bem como a obtenção da qualidade óssea. Tais dados nos permitem avaliar os possíveis locais de instalação dos implantes dentários Tomografia computadorizada interativa (TCI) É uma técnica desenvolvida a fim de preencher lacunas na tomografia computadorizada convencional, pois permite ao radiologista enviar um arquivo de computador, associado a um programa específico, de maneira a realizar a simulação cirúrgica, bem como análise protética ideal em relação aos implantes. A dificuldade encontrada na simulação da cirurgia através destes arquivos consiste na obtenção de um adequado paralelismo entre implantes. Em função disto pode ser utilizado, após simulação das posições adequadas para instalação dos implantes, para a confecção de um guia cirúrgico tridimensional gerado pelo computador a partir dos dados da tomografia computadorizada interativa e da cirurgia eletrônica (MISCH, 2006) Imagem por ressonância magnética (RM) É uma técnica para visualização de prótons do corpo, usando campos magnéticos, radiofrequências, detectores eletromagnéticos e computadores, obtendo assim imagens com alta definição e se injeções de meios de contraste. A imagem por ressonância magnética permite estudos tridimensionais e estudo de fluxo, bem como a quantificação dos elementos químicos dos diferentes tecidos (RIBEIRO et al., 2000). As imagens obtidas por esta técnica mostram o osso cortical em tonalidade escura e a gordura ou água em tons claros. A imagem por ressonância magnética é uma técnica quantitativa precisa com cortes tomográficos exatos e nenhuma distorção, mas torna-se

24 24 ineficaz quando usada para caracterização da mineralização do osso ou como técnica para identificação de doença óssea ou dentária presentes (MISCH, 2006). 3.3 TIPOS DE TECNOLOGIAS USADAS NA PROTOTIPAGEM Existem mais de 20 sistemas de prototipagem rápida no mercado que, apesar de usarem diferentes tecnologias de adição de material, se baseiam no mesmo principio de manufatura por camadas planas. Os processos de prototipagem rápida atualmente mais importantes, considerando equipamentos instalados e processos promissores, podem ser agrupados pelo estado ou forma inicial da matéria-prima utilizada para fabricação. Neste sentido, podemos classificar os processos baseados em Líquido, Sólido e Pó. Sendo assim, tem-se: - Baseados em Líquido: a matéria-prima utilizada para fabricar o protótipo encontrase em estado líquido, antes de ser processada. Nesta categoria, encontram-se as tecnologias que envolvem a polimerização de uma resina líquida por um laser ultravioleta (ex. Estereolitografia SL, de StereoLithography), ou jateamento de resina líquida por um cabeçote tipo jato de tinta e posterior cura pela exposição a uma luz ultravioleta (ex. Impressão a Jato de Tinta IJP, de Ink Jet Printing), entre outros. - Baseados em Sólido: nestes processos o material utilizado encontra-se no estado sólido, podendo estar na forma de filamento, lâmina, ou outra qualquer. Alguns dos processos fundem o matrial, antes da sua deposição (ex. Modelagem por Fusão e Deposição FDM, de Fused Deposition Modelin, IJP). Outros somente recortam uma lâmina do material adicionado (ex. Manufatura Laminar de Objetos LOM, de Laminated Object Manufacturing, Tecnologia com Lâminas de Papel - PLT, de Paper Lamination Technology). - Baseados em Pó: a matéria-prima está na forma de pó antes do processamento. Pode-se utilizar laser para o seu processamento (ex. Sinterização Seletiva a Laser SLS, de Selective Laser Sintering, Sinterização a Laser EOSINT, Fabricação da Forma Final a Laser LENS, de Laser Engineered Net Shaping) ou um aglutinante aplicado por um cabeçote tipo

25 25 jato de tinta (ex. Impressão Tridimensional 3DP, de 3 Dimensional Printing, entre outros processos) (VOLPATO et al., 2007) Sistema baseado em líquidos para prototipagem Estereolitografia (SL) Este método pioneiro constrói modelos tridimensionais de polímeros líquidos que se solidificam quando expostos a radiação de um feixe de laser ultravioleta. É a tecnologia de maior exatidão e com o melhor acabamento superficial, sendo o seu custo operacional o fator de limitação de seu uso (NIGRO, 2009). Esse sistema tem sido usado para criar modelos para diagnósticos, planejamento, tratamento e simulação cirúrgica (MORRIS et al., 2000). O processo faz uso de uma resina líquida foto curável, sendo que a cura é obtida através da aplicação de um laser com um comprimento de onda específico, geralmente ultravioleta. A resina é inserida em uma cuba ou recipiente que contém uma plataforma mergulhada que se desloca para baixo a cada camada construída. O feixe do laser é movimentado através de um conjunto óptico que reproduz a geometria 2D obtida no fatiamento da peça representada no sistema CAD (Computed Aided Desingn). O sistema de varredura move o feixe de laser preenchendo a camada correspondente sobre a superfície da cuba com a resina foto curável. Quando exposta ao feixe de laser, a resina polimeriza mudando do estado líquido para sólido gerando uma camada. O procedimento é repetido para a camada imediatamente acima, que então adere à camada anterior, até que o protótipo esteja completo. Estando pronto, a peça é removida da cuba e levada posteriormente a um forno para a cura total da resina (Figura 5).

26 26 Figura 5: Esquema do processo de estereolitografia O laser utilizado nos equipamentos de SL (estereolitografia) é do tipo Hélio-Cádmio (He-Cd) com potência que pode variar de 6mW até 12mW e comprimento de onda de 325nm ou o laser de Nd:YVO 4 no estado sólido, com potência que pode variar de 100mW a 800mW e comprimento de onda de 354,7 nm. (KAI et al., 2003 apud VOLPATO, 2007, p. 58). Ao final do processo de SL (estereolitografia), tem-se a peça em estado não totalmente curado, sendo preciso em seguida a remoção das estruturas de suporte a leva da peça a um forno UV (ultravioleta) para obter-se a cura completa da resina, conferindo-lhe a sua resistência mecânica, e quando necessário, faz-se posteriormente um acabamento superficial de forma manual (Figuras 6, 7, 8, 9 e 10) Esta tecnologia é altamente precisa e utiliza resinas transparentes através das quais os modelos se tornam radiolúcido após a polimerização (Figura 11) (GOMIDE, 2000; GORNI, 2001; MORRIS et al., 2000). Figura 6: Volume de preparo para iniciar a prototipagem de modelos em estereolitografia

27 27 Figura 7: Máquina 3D System SLA de prototipagem dos modelos em estereolitografia Figura 8: Modelos prototipados Figura 9: Modelos prontos esperando a secagem da resina.

28 28 Figura 10: Cura final em um forno ultravioleta Figura 11: Modelo estereolitográfico transparente Impressão a jato de tinta (IJP) PolyJet Trata-se de uma tecnologia de prototipagem rápidas capaz de fazer modelos tridimensionais com alta qualidade e rapidez. O princípio da PolyJet é utilizar um sistema jato de tinta para depositar a resina em pequenas gotas sobre uma bandeja e, imediatamente após a sua deposição, lançar uma luz UV (ultravioleta) pra a cura da camada (Figura 12). Esta tecnologia utiliza dois materiais diferentes para a fabricação, uma resina para a peça e um material tipo gel que serve como suporte da peça. Após o término do processo, o material de suporte é facilmente removido com um jato d água, o que não altera anatomicamente a peça. A resina sofre total cura durante o processo de deposição, o que torna não necessário uma etapa de cura final (VOLPATO et al., 2007).

29 29 Por não utilizar laser, e usar apenas a luz UV (ultravioleta) para sua polimerização, o seu custo torna-se mais baixo. Figura 12: Princípio da tecnologia Polyjet Fonte: Volpato et al. (2007) Impressão a jato de tinta (IJP) 3D Essa técnica é muito semelhante ao sistema de impressão a jato de tinta das impressoras convencionais. Após a deposição da camada sobre a plataforma onde será construída a peça, uma luz ultravioleta é aplicada sobre a mesma realizando sua cura. Nesse processo um rolo espalha o pó e nivela o material na cuba e em seguida a cabeça da impressora deposita o aglutinante agregando o material de acordo com os pontos predeterminados. O embolo começa na parte mais superior da máquina, uma camada do pó é espalhada pelo rolo, ai o cartucho vem e joga o aglutinante nos pontos predeterminados imprimindo assim a primeira camada, e em seguida o rolo deposita uma nova camada de pó e em seguida é depositada uma nova camada de aglutinante polimerizando assim camada por camada, e este processo repete-se até a finalização da produção do protótipo (Figura 13).

30 30 Ao término do processo, a cuba está repleta de pó, com um aspirador retira-se todo o pó que não foi polimerizado pelo aglutinante, sobrando apenas o protótipo pronto (Figuras 14, 15, 16, 17 e 18) (NIGRO, 2009). Esse processo não confere grande resistência ao biomodelo. Assim, depois de finalizado, o mesmo deve ser infiltrado com materiais infiltrantes, para conferir-lhe um aumento significativo em sua resistência (ARTIS, 2010; GORNI, 2006). Figura 13: Princípio de funcionamento do processo IJP 3D Fonte: Volpato et al. (2007) Figura 14: Volume de preparo para a inicialização da prototipagem dos modelos em opaco Figura 15: Máquina Zcorporation de prototipagem dos modelos em opaco

31 31 Figura 16: Modelo prototipado assim que a máquina termina a produção Figura 17: Retirada do excesso de pó do modelo Figura 18: Modelos prontos para serem enviados Sistemas baseados em sólido para prototipagem Modelagem por fusão e deposição (FDM) Neste processo, tem-se o material utilizado para confecção dos modelos no estado sólido, podendo estar na forma de filamentos, lâmina, ou então não ter uma forma específica, pois será fundido (liquefeito) para ser depositado.

32 32 O protótipo é construído através da deposição de um material extrudado. A cabeça de extrusão com movimentos nos eixos X-Y, posicionada sobre uma mesa a qual se movimenta no eixo Z, recebendo continuamente o material na forma de fio, sendo que quando um filamento entra em contato com o material da superfície da peça, ele se solidifica e adere à camada anterior. A mesa, que é constituída de um mecanismo elevador, desloca-se no eixo Z, valor referente à espessura de uma camada a ser depositada e o processo é repetido até que a peça seja totalmente construída (Figura 19) (VOLPATO et al., 2007). Figura 19: Princípio do processo FDM da Stratasys, Inc. Fonte: Volpato et al. (2007) Os materiais atualmente disponíveis para a construção de protótipo neste processo são: cera, poliéster, ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), ABSi (material esterilizável), policarbonato (PC) e polifenilsulfona (PPSF) (STRATASYS, 2010) Processo baseado em pó para prototipagem Sinterização seletiva a laser (SLS) Este processo faz uso de um laser de CO 2 de média potência (25 a 100W) para realizar a sinterização de um material em forma de pó. Apesar de usar-se o termo sinterização, em alguns casos o pó do material é levado ao ponto de fusão pela incidência do laser, agregando-

33 33 se a camada anterior e formando o corpo do modelo. A construção do modelo se inicia com o material sendo espalhado e nivelado por um rolo na câmara de construção do equipamento sobre uma plataforma. A câmara é então aquecida a uma temperatura um pouco abaixo do ponto de fusão do material e mantido em atmosfera inerte, controlada usando nitrogênio, o que evita a oxidação e risco de explosão das partículas mais finas. O raio laser traça a primeira camada, sintetizando o pó fusível pelo calor. Uma vez estando sólida a primeira camada, os espelhos apontam novamente o laser para um ponto específico, onde a plataforma move-se para baixo e o subsistema adiciona então uma nova camada de pó e assim, sucessivamente, até a solidificação da última camada. Ao término o modelo é removido da plataforma de construção e o pó adjacente, que não foi sintetizado, é removido com o auxílio de uma escova, ar comprimido ou aspirador de pó, podendo ser reutilizado dentro de um limite, pois degrada com o reuso ao longo do tempo (Figura 20). Figura 20: Esquema do processo de sinterização seletiva a laser Os materiais disponíveis para o uso dessa tecnologia são: náilon, poliamida, poliamida com microesferas de vidro, elastômeros, cerâmica e metal com polímero para obtenção de peças e insertos metálicos (VOLPATO et al., 2007). 3.4 PROCESSAMENTO DA IMAGEM OBTIDA PARA A CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO

34 34 O ciclo da prototipagem rápida inicia-se com a criação de um modelo 3D, seguido do planejamento do processo e fabricação do protótipo. Como as tecnologias de prototipagem rápida baseiam-se no princípio de adição de material camada a camada, o planejamento de processo a ser seguido é semelhante a todos os processos. Inicialmente tem-se a exportação do arquivo do modelo a ser produzido de um sistema CAD (Computer Aided Design) 3D para o formato STL (StereoLitography). Nas imagens médicas, pode-se citar a tomografia computadorizada e a imagem por ressonância magnética, como meio de obtenção das imagens. Esses processos permitem capturar informações de detalhes anatômicos dos pacientes e permitem o seu armazenamento em forma bidimensional. Os dados coletados são um conjunto de fatias paralelas espaçadas de maneira uniforme (Figuras 21, 22, 23 e 24). Para integrarem-se aos sistemas de prototipagem rápida, os dados das seções transversais da tomografia computadorizada ou da ressonância magnética devem ser processados de modo a aproximar as superfícies do objeto analisado. Esse processo de reconstrução consiste na obtenção de um modelo tridimensional dos objetos de interesse, possibilitando não somente a visualização, mas também a melhor compreensão da estrutura analisada através da extração e análise de parâmetros geométricos dos objetos. Figura 21: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são visíveis as partes hiperdensas do corte

35 35 Figura 22: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são segmentadas somente as partes hiperdensas do corte Figura 23: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são filtradas somente as partes de interesse do corte Figura 24: Imagem 2D de um corte axial de um projeto mandibular, em que são filtrados dois objetos distintos do corte

36 36 Devido à diferença das espessuras das imagens de trabalho, obtidas através da tomografia, sendo da ordem de 1 a 5 mm, enquanto que a espessura utilizada no processamento da prototipagem rápida gira em torno de 0,25mm foi necessária realizar um meio de interpretar de forma adequada essa imagem para então ser posteriormente usado para prototipagem rápida. Desta forma, a fim de permitir a adequada comunicação entre os diferentes sistemas, as imagens obtidas são então reconstruídas tridimensionalmente e convertidas em um formato que seja compatível com aquele utilizado pelos processos de prototipagem rápida (Figura 25). Figura 25: Volume 3D de um projeto mandibular, em que é visível a triangulação STL Souza et al. (2003) publicaram um estudo que apresentava um método integrado que permite a fabricação de biomodelos através de uma sequência de imagens tomográficas, utilizando técnicas de manufaturamento relativamente baratas. A metodologia por eles criada divide-se em duas categorias distintas: métodos baseados em volume e métodos baseados em superfície. Os métodos baseados em volume possuem uma grande quantidade de dados que devem ser armazenados, o que exige um grande esforço computacional. Neste caso, um objeto é representado por um conjunto finito de voxels, onde cada voxel é um elemento de volume retangular obtido quando o conjunto é dividido em três conjuntos de planos paralelos, cada conjunto sendo ortogonal aos outros dois. Neste método, o foco principal não é a identificação dos contornos dos objetos. Nos métodos baseados em superfície, são descritos os limites do objeto tomografado, extraindo, de cada seção transversal, um conjunto de contornos. Esses limites correspondem à intersecção entre as seções transversais e a superfície do objeto e são representados por um número finito de curvas fechadas, denominadas de contornos. Os contornos, entre as fatias adjacentes, são unidos através de uma coleção de elementos de superfície que podem ser

37 37 curvos ou planos. Uma variedade de polígonos pode ser usada para representar a superfície entre cada par de fatias consecutivas sendo o mais simples a forma triangular. Os métodos baseados em superfície também se subdividem em dois grupos: ótimos e heurísticos. Os ótimos fornecem a melhor triangulação procurando determinar a melhor dentre todas as coleções de faces triangulares. Apesar do ótimo resultado obtido, seus métodos computacionais são muito caros. Os métodos heurísticos, por sua vez, baseiam-se em critérios locais para a geração da malha triangular. Estes são métodos próximos dos ótimos e seu uso computacional mais em conta. No fim, ambos produzem o arquivo STL (StereoLithograph), o qual será utilizado na visualização do modelo virtual reconstruído tridimensionalmente, a partir destas técnicas de triangulação, o qual será interpretado pela máquina de prototipagem rápida, facilitando assim a transformação de modelos virtuais em modelos reais Obtenção do arquivo STL Tendo sido realizadas as imagens das seções transversais de tomografia computadorizada de forma a serem reconstruídas tridimensionalmente e aproximadas por um conjunto de faces triangulares, é necessário que essa imagem gerada seja convertida em uma imagem num formato que seja de fácil compreensão por um sistema de prototipagem rápida (Figura 26). Figura 26: Esquema dos dados até o biomodelo

38 38 Convencionou-se o uso do formato SteroeLitography (STL) como padrão, sendo o mais usado como interface entre os processos de prototipagem rápida. Tornou-se o formato de preferência e função de ser um formato aberto e simples. Ainda existem outros formatos que podem ser interpretados pelos processos de prototipagem rápida, dos quais podemos citar: Slice (SLC), Initial Graphics Exchange Specification (IGES), Standard for The Exchange of Product (STEP) e Common Layer Interface (CLI). Para que seja realizada a confecção dos biomodelos é necessário que seja gerado um arquivo no formato SteroeLitography (STL), que será usado pela máquina de prototipagem (SOUZA et al., 2003). O arquivo STL é composto por um arquivo que possui todos os triângulos gerados e é então utilizado como interface para a máquina de prototipagem. O arquivo STL consiste de uma lista com os dados das faces triangulares, no qual cada face é identificada por um vetor perpendicular ao triângulo, cujo comprimento é uma unidade arbitrária e por três pontos representando os vértices do triângulo. Tanto a normal como cada vértice é especificada por três coordenadas (X, Y e Z), portanto têm-se doze valores para cada face. Cada face faz parte do limite entre o interior e o exterior do objeto, definindo a superfície de um objeto tridimensional. A orientação das faces é especificada sendo que: a direção normal de cada triângulo é para fora de maneira que a orientação das faces do modelo proposto esteja todas voltadas para o lado de fora da peça, ou seja, o lado que não possui material na peça; os vértices são listados na direção anti-horária (quando o objeto é visualizado a partir do lado de fora) (BAMBERG, 2007). 3.5 PROTÓTIPOS E GUIAS CIRÚRGICOS Arvier et al. (1994) relataram três casos clínicos com a aplicação de biomodelos na área de cirurgia buco-maxilo-facial. Os biomodelos foram confeccionados a partir de dados computadorizados dos cortes tomográficos, obtidos das regiões esqueléticas, selecionadas para aplicação da técnica de estereolitografia, reproduzindo as estruturas anatômicas com

39 39 perfeição. O estudo tratou do relato de três casos clínicos com aplicação dos biomodelos em patologias maxilo-mandibulares, os quais demonstraram as deformidades com exatidão. A estereolitografia é um método de reprodução das estruturas anatômicas, baseado nos dados dos corte da tomografia computadorizada, capazes de reproduzir estruturas em 3 dimensões. Os autores indicam a aplicação do método no planejamento de cirurgias maxilofaciais, como orais, incluindo a implantodontia, melhorando os resultados pós-operatórios, na medida em que diminuem os riscos e perda de tempo durante a intervenção (Figuras 27 à 42). D urso et al. (1999) avaliaram a estereolitografia através de um estudo prospectivo de 45 pacientes com patologias do complexo craniofacial, base do crânio e espinha cervical. Os biomodelos foram utilizados para a educação dos pacientes, diagnósticos e planejamento cirúrgico. Os autores concluíram que os biomodelos auxiliaram os cirurgiões a ensaiar os procedimentos e melhoraram a comunicação entre os profissionais e seus pacientes. O uso do sistema CAD-CAM (Computed Aided Design Computed Aided Manufacturing) e a imagem diagnóstico multiplanar, a estereolitografia, e o advento da guia cirúrgica trouxeram um alto grau de segurança diagnóstica, determinando o procedimento cirúrgico e estabelecendo o prognóstico (BENJAMIN, 2002). Quando um modelo é produzido, o cirurgião tem a possibilidade de estudar o caso e melhor entender a morfologia e patologia, bem como planejar hipóteses de intervenção (BANDERA et al., 2003). Os biomodelos a partir da prototipagem rápida são modelos obtidos através de imagens de tomografia computadorizada, ressonância magnética e ultrassonografia que podem ser utilizados com objetivos didáticos ou dedicados a um planejamento operatório. Sarment et al. (2003) apresentaram um trabalho determinando a precisão da instalação de implantes com a utilização de guias cirúrgicos de estereolitografia na Universidade de Michigan, EUA. Cinco mandíbulas idênticas confeccionadas com epoxy foram submetidas a um exame de tomografia volumétrica. O programa Simplant (Materialize, Bélgica) foi utilizado para confecção das guias de estereolitografia. Concluíram que esta tecnologia permite uma melhora na instalação dos implantes. Os modelos tridimensionais fornecem a possibilidade de uma visão endocranial bem como a possibilidade de se desarticular a mandíbula, expondo a base do crânio para uma melhor visualização (HARUN et al., 2005).

40 40 Com os biomodelos a prototipados temos um auxiliar importante, pois o paciente compreende todos os procedimentos cirúrgicos pelos quais ele será submetido, além auxiliar a equipe cirúrgica durante o ato operatório (ESCÓSSIA JR et al., 2008). Figura 27: Marcação no protótipo dos possíveis locais para a instalação dos implantes nos locais com maior quantidade de osso remanescente Figura 28: Marcação no protótipo dos possíveis locais para a instalação dos implantes nos locais com maior quantidade de osso remanescente Figura 29: Perfurações na posição e direção do implante a ser instalado no paciente