Diseño y análisis computacional de Stents

Calvo Sánchez, Sonia (2017). Diseño y análisis computacional de Stents. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño y análisis computacional de Stents
Autor/es:
  • Calvo Sánchez, Sonia
Director/es:
  • Romero Olleros, Ignacio
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Stent expandible con balón, stent autoexpandible, nitinol, análisis elementos finitos
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La salud es un tema prioritario para el ser humano, razón por la cual es objeto de especial atención por parte de la medicina y de las ciencias de la salud. En un mundo en el que la tecnología está a la orden del día y que resulta esencial en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana, la ingeniería biomédica se posiciona como una parte fundamental en la garantía de la salud. La ingeniería biomédica es el resultado de la aplicación de los principios y técnicas de la ingeniería al campo de la medicina. Se dedica en esencia al diseño y construcción de productos sanitarios y tecnologías sanitarias como son los equipos médicos, las prótesis o los dispositivos médicos. Dentro de este marco se encuadran los stents. Un stent es un dispositivo médico con forma de malla tubular que se coloca en el interior de un vaso sanguíneo u otra estructura hueca del cuerpo humano obstruida o lesionada con el fin de evitar su oclusión o cierre brusco. En nuestro país más de 100.000 stents son colocados al año. La incorporación del uso de estos dispositivos en el tratamiento de distintas enfermedades ha supuesto un gran avance en el campo médico, principalmente en las enfermedades cardiovasculares. Gracias a esto se ha conseguido reducir la mortalidad por infarto de miocardio en un 50% en los últimos años. La fabricación de stents es un proceso complejo siendo la elección del material la etapa de mayor importancia. El material a utilizar dependerá del tipo de stent, estableciéndose una distinción entre stents expandibles con balón o globo y stents autoexpandibles. Los stents expandibles con balón se fabrican en su forma comprimida, y una vez situados dentro del vaso sanguíneo dañado se expanden con ayuda de un globo situado en su interior hasta entrar en contacto con las paredes del vaso. Como consecuencia de esta expansión el stent sufre una deformación plástica. Por tanto, los materiales a utilizar para su fabricación serán materiales biocompatibles que puedan sufrir deformaciones plásticas fácilmente. El material más comúnmente utilizado para estos stents es el acero inoxidable. Los stents autoexpandibles se fabrican en su forma expandida, y posteriormente se comprimen introduciéndolos en una funda, que actúa de sistema de suministro. Cuando el stent se coloca en la zona del vaso dañada, la funda se retira y el stent se autoexpande, entrando en contacto con las paredes del vaso. Los materiales utilizados en su fabricación deben ser capaces de soportar grandes deformaciones elásticas. El material por excelencia en este tipo de stents es el nitinol, aleación de níquel y titanio que presenta excelentes propiedades de memoria de forma y superelasticidad. Como dispositivos médicos, los stents deben cumplir unos requisitos fundamentales en cuanto a su correcto funcionamiento dentro del cuerpo humano, y los materiales a partir de los cuales están fabricados deben ser adecuados para cumplir con dichas condiciones de funcionamiento. Por esa razón, el papel que desempeñan las simulaciones y análisis por elementos finitos del comportamiento de estos dispositivos es tan importante. En este punto nace la motivación de este trabajo fin de grado: La realización de un análisis por elementos finitos para analizar el comportamiento de los materiales a partir de los cuales están fabricados estos dispositivos médicos, análisis que resulta de vital importancia para los diseñadores y fabricantes de stents, ya que permite conocer los puntos débiles de estos materiales, permitiendo el poder corregir los posibles errores que se podrían dar antes de fabricar el producto, cumpliendo así las condiciones de calidad y fiabilidad que se requieren. La ejecución de este proyecto se divide en tres grandes etapas: ETAPA 1. Esta primera etapa se dedicó a la documentación y recopilación de información necesaria para el correcto desarrollo del proyecto. . En primer lugar se profundizó en el conocimiento de los stents, así como su empleo en el tratamiento de distintas enfermedades. . Posteriormente se analizó el funcionamiento de los stents expandibles con balón y los autoexpandibles, además de estudiar el comportamiento mecánico de los mismos. . A continuación se realizó una investigación acerca de la aleación de níquel y titanio conocida como nitinol, con el fin de entender y analizar las propiedades características de memoria de forma y superelasticidad que presenta. . Por último se estudió el proyecto “Open Stent Design”, proyecto desarrollado por Craig Bonsignore en 2011 para la NDC, “Nitinol Devices & Components, Inc.”. Este proyecto presenta un diseño genérico de stent con el fin de servir como ejemplo abierto al público para discutir las técnicas y procedimientos relacionados con el diseño de stents. Este modelo de stent se realizó con SolidWorks y el archivo se ha utilizado en el presente proyecto para la realización de las simulaciones y el análisis por elementos finitos. ETAPA 2. La segunda etapa del proyecto se destinó a la elaboración de simulaciones y a la realización del análisis por elementos finitos con el programa comercial SolidWorks 2016. . Con este programa se realizaron simulaciones de un stent autoexpandible fabricado con nitinol. Sin embargo, dado que la potencia de cálculo de SolidWorks es inferior a la de otros programas, en lugar de utilizar el stent original que proporcionaba “Open Stent Design”, se optó por generar un stent más sencillo (se disminuyó el número de columnas del stent, en consecuencia la longitud del mismo). . Tras la ejecución de las simulaciones se extrajeron mapas de colores de los niveles de tensión de von Mises (criterio de fallo) y de las deformaciones obtenidas tras el proceso, así como gráficas donde se refleja el ciclo de carga y descarga que sufre el stent (curva tensión – desplazamiento). Esta última curva resulta de especial interés porque en ella se refleja el nivel de tensiones al que está sometido el stent en el momento en que entra en contacto con las paredes del vaso. . Con estos datos se elaboraron conclusiones en relación al comportamiento teórico esperado. ETAPA 3. Esta última etapa se dedicó al desarrollo de simulaciones y a la elaboración de un análisis por elementos finitos con el programa comercial Abaqus CAE 6.14. . Con este programa se optó por realizar una comparación entre el funcionamiento de un stent expandible con balón y otro autoexpandible. . En primer lugar se elaboró una simulación de un stent expandible con balón fabricado con acero inoxidable, material comúnmente utilizado en la fabricación de este tipo de stent. . Posteriormente se desarrolló la simulación de un stent autoexpandible fabricado con un material hiperelástico. El material elegido presenta un comportamiento similar al del nitinol. Se caracteriza por poseer una elevada capacidad de deformación pero sin sufrir deformaciones permanentes cuando se retira la carga. . Por último se llevó a cabo una simulación de un stent autoexpandible fabricado con nitinol, material utilizado en la fabricación de la mayoría de stents de esta familia. . Con los datos extraídos de estas simulaciones se elaboraron gráficas donde se refleja el nivel de tensiones al que está sometido el stent en las tres direcciones del espacio (en coordenadas cilíndricas) frente al desplazamiento de las paredes del stent. Asimismo se extrajeron mapas de colores donde aparece representada la tensión equivalente según el criterio de von Mises y las deformaciones, plásticas en el caso del acero inoxidable y elásticas en los otros dos casos, que sufre el stent tras el proceso al que se ve sometido. . Con estos datos se elaboraron conclusiones, así como una comparación de los distintos materiales evaluados.

Más información

ID de Registro: 46457
Identificador DC: http://oa.upm.es/46457/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:46457
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 03 Jun 2017 09:03
Ultima Modificación: 03 Jun 2017 09:03
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