Criação de modelos cardíacos de silicone específicos do paciente com aplicações em planos pré-cirúrgicos e treinamento prático
Summary
Modelos específicos do paciente melhoram a confiança do cirurgião e dos companheiros ao desenvolver ou aprender planos cirúrgicos. Impressoras tridimensionais (3D) geram detalhes adequados para a preparação cirúrgica, mas não replicam a fidelidade háptica tecidual. Um protocolo é apresentado detalhando a criação de modelos cardíacos de silicone específicos do paciente, combinando precisão de impressão 3D com tecido de silicone simulado.
Abstract
Modelos tridimensionais podem ser uma ferramenta valiosa para os cirurgiões à medida que desenvolvem planos cirúrgicos e cuidados médicos à medida que aprendem sobre casos complexos. Em particular, modelos 3D podem desempenhar um papel importante no campo da cardiologia, onde ocorrem doenças cardíacas congênitas complexas. Embora muitas impressoras 3D possam fornecer modelos anatomicamente corretos e detalhados, os materiais de impressão 3D existentes não replicam as propriedades do tecido miocárdio e podem ser extremamente caros. Este protocolo visa desenvolver um processo para a criação de modelos específicos do paciente de defeitos cardíacos congênitos complexos usando um silicone de baixo custo que mais se iguala às propriedades musculares cardíacas. Com melhor fidelidade do modelo, o treinamento processual cirúrgico real pode ocorrer antes do procedimento. A criação bem sucedida de modelos cardíacos começa com a segmentação de imagens radiológicas para gerar uma poça de sangue virtual (sangue que enche as câmaras do coração) e mofo de tecido miocárdico. A poça sanguínea e o molde do miocárdio são impressos em 3D em estireno de butadieno acrilonitrilo (ABS), uma dissolução plástica em acetona. O molde é montado ao redor da poça de sangue, criando um espaço negativo simulando o miocárdio. O silicone com uma dureza da costa de 2A é derramado no espaço negativo e permitido a cura. O molde do miocárdio é removido, e o modelo restante de silicone/poça sanguínea está submerso em acetona. O processo descrito resulta em um modelo físico no qual todas as características cardíacas, incluindo defeitos intra-cardíacos, são representadas com propriedades teciduais mais realistas e são mais próximas do que uma abordagem de impressão 3D direta. A correção cirúrgica bem sucedida de um modelo com defeito septal ventricular (VSD) utilizando um patch GORE-TEX (intervenção cirúrgica padrão para defeito) demonstra a utilidade do método.
Introduction
Quase 1 em cada 100 crianças nos Estados Unidos nascem com defeitos cardíacos congênitos (CHD). Devido à propensão das mães com CHDs a terem filhos com CHDs, há uma expectativa de que a taxa possa mais do que dobrar nas próximas sete gerações1. Embora nem cada CHD seja considerado complexo ou grave, a expectativa geral de crescimento indica que há motivação para melhorar a tecnologia e os procedimentos capazes de lidar com o tratamento de CHD. À medida que a tecnologia melhora, cirurgiões cardíacos muitas vezes expressam uma vontade de enfrentar procedimentos mais complexos. Essa disposição levou a um aumento do número de procedimentos cardíacos complexos, impulsionando a necessidade de técnicas mais avançadas de planejamento cirúrgico e educação. Por sua vez, isso deixa cirurgiões cardíacos necessitando de modelos altamente precisos, específicos do paciente e companheiros cirúrgicos cardíacos que precisam de métodos de treinamento altamente eficazes.
A cirurgia cardíaca congênita é uma das disciplinas cirúrgicas mais exigentes tecnicamente devido ao pequeno tamanho dos pacientes, à complexidade das anormalidades cardíacas e à raridade de algumas anormalidades2. Nos casos mais extremos, uma criança pode nascer com um único ventrículo. Não é incomum que o cirurgião pegue um vaso de 2,0 mm de diâmetro e o remendo com pericárdio fixo para criar um vaso de 1,0 cm permitindo que um recém-nascido cresça neste procedimento que salva vidas – tudo isso enquanto estiver sob o relógio, já que o recém-nascido está em prisão circulatória completa. Entre o coração normal de quatro câmaras e esses exemplos extremos estão inúmeras possibilidades de tamanho de câmara e posições de válvula que constituem quebra-cabeças 3D altamente complexos. O papel da equipe cardíaca congênita é delinear claramente a anatomia única e desenvolver um plano para reconfigurar o tecido orgânico em um coração funcional que permitirá que uma criança cresça com a melhor chance de uma vida normal. Modelos precisos permitem a prática cirúrgica deliberada e a repetição em um ambiente onde erros podem ser perdoados e não resultarão em danos ao paciente3,4. Esse treinamento leva ao desenvolvimento de melhores conhecimentos cirúrgicos, bem como habilidades técnicas e de julgamento. No entanto, recursos limitados e a raridade de certas condições cardíacas podem tornar quase impossível alcançar o nível desejado de repetição e visualização. Para ajudar a contabilizar essa deficiência de recursos, houve um aumento na utilização de simulações para a educação2,3. Técnicas de simulação ou modelagem comumente utilizadas incluem cadáveres humanos, tecidos animais, modelos de realidade virtual (VR) e modelos impressos em 3D.
O tecido cadavérico tem sido historicamente considerado como o padrão-ouro para simulação cirúrgica, com tecido animal em segundo lugar. Cadáveres e tecidos animais podem produzir simulações de alta fidelidade porque contêm a estrutura anatômica de interesse, todos os tecidos circundantes, e permitem técnicas de perfusão para simular o fluxo sanguíneo4. Apesar dos benefícios dos modelos de tecidos, há desvantagens. As experiências de tecido embalsamado reduziram a conformidade mecânica, tornando algumas operações irrealistas e difíceis de executar. Os tecidos exigem manutenção constante, instalações específicas, não são reutilizáveis2, podem ser dispendiosos para obter3, e historicamente têm sido objeto de preocupações éticas. Mais significativamente, as condições cardíacas congênitas simplesmente não estão disponíveis em amostras cadavéricas.
Os modelos impressos VR e 3D5,6,7,8,9,10 oferecem outra opção para educação cardíaca, simulação e modelagem para auxiliar na criação de planos pré-operatórios. Esses modelos reduzem a ambiguidade associada à variada capacidade visuo-espacial do usuário de interpolar imagens 2D como uma estrutura 3D10,11. O ambiente virtual pode conter ferramentas cirúrgicas que podem ser manipuladas e interagir com modelos, permitindo que cirurgiões e companheiros desenvolvam coordenação mão-olho, habilidades motoras finas e familiaridade com alguns procedimentos4. As atuais tecnologias populares de impressão 3D, incluindo modelagem fundida de deposição (FDM), estereotipografia (SLA), sinterização seletiva a laser (SLS) e polyjet foram encontradas para produzir modelos com precisão submillimétrica13. Ambos os modelos impressos em VR e 3D são reutilizáveis e podem ser extremamente detalhados; modelos podem até ser gerados a partir de dados de imagem radiológica do paciente, resultando em réplicas da anatomia do paciente. Apesar dos muitos benefícios de um modelo impresso vr ou 3D, eles ficam aquém quando os requisitos de custo e fidelidade háptica da cirurgia cardíaca congênita são considerados. A configuração de um ambiente VR tem um alto custo, e os ambientes VR não podem fornecer feedback háptico no mundo real. Enquanto a tecnologia de fidelidade háptica está melhorando, a lacuna atual inibe a capacidade do aluno de se familiarizar com as habilidades motoras necessárias para realizar procedimentos4. Da mesma forma, dependendo do tipo de tecnologia de impressão 3D utilizada, o custo da impressão 3D pode ser bastante alto, pois o preço de compra da impressora e o custo do material de impressão devem ser considerados11,14. Um único modelo cardíaco de alta fidelidade com feedback háptico realista pode ser produzido usando uma impressora high-end, mas custará centenas de dólares apenas em material com um preço de compra de impressora acima de USD15. Um modelo cardíaco produzido usando um filamento com uma dureza de 26-28 A foi encontrado para custar aproximadamente 220 USD por modelo16. Alternativamente, muitas impressoras e tecnologias 3D de baixo custo estão disponíveis que têm um preço de compra de impressora inferior a USD de 5.000 DÓLARES. Os preços médios do material para um modelo cardíaco gerado em uma impressora FDM de baixo custo foram de cerca de 3,80 USD usando um material com dureza de 82 A e 35 USD usando um material com dureza de 95 A15,16. Embora essas máquinas ofereçam uma solução de baixo custo, ela vem ao custo da fidelidade háptica.
Embora a impressão VR e 3D possa permitir uma avaliação visual e conceitual detalhada de uma condição cardíaca, o alto preço associado à produção de um modelo para simulação cirúrgica prática é muitas vezes uma barreira significativa. Uma solução é o uso de silicone para criar um modelo cardíaco físico e texturally preciso. Modelos de silicone específicos do paciente podem facilitar uma compreensão mais profunda da anatomia única, permitindo que os cirurgiões vejam, sintam e até pratiquem um procedimento enquanto experimentam feedback háptico realista em um ambiente que envolve risco mínimo para um paciente e não tem consequências se o procedimento não tiver sucesso9. A moldagem de silicone tem se mostrado um método eficaz para modelar anatomia humana que produz modelos com propriedades físicas significativamente mais próximas do tecido real do que modelos gerados a partir da impressão 3D de baixo custo17. Scanlan et al., compararam as propriedades do 3D de baixo custo impresso às válvulas cardíacas moldadas de silicone para avaliar a semelhança com o tecido real; o estudo constatou que, embora as propriedades físicas das válvulas de silicone não fossem uma réplica exata do tecido real, as propriedades eram muito superiores às válvulas impressas em 3D17. O material de impressão 3D utilizado no estudo está entre os materiais mais macios disponíveis para impressoras 3D de baixo custo e possui uma dureza de costa entre 26 e 28 A18. O silicone de cura de platina recomendado para uso no protocolo abaixo tem uma dureza de 2 A que está muito mais próxima da dureza da costa do tecido cardíaco, 43 na escala 00, ou aproximadamente 0 A19,20. Essa diferença é significativa porque os modelos de silicone permitem um treinamento de habilidade motora fina de alta fidelidade que os materiais impressos diretamente 3D não alcançam. O custo total do material para o modelo proposto neste protocolo é inferior a 10 USD. Os modelos de silicone propostos combinam as propriedades do tecido mole necessárias para feedback háptico realista com a versatilidade e precisão dos modelos impressos 3D de baixo custo.
Embora os benefícios do silicone possam parecer torná-lo a escolha óbvia para a criação do modelo, o uso de silicone tem sido restringido pela anatomia que pode ser moldada. O silicone recém-misturado é um líquido que requer um molde para mantê-lo na forma desejada à medida que cura. Historicamente, os moldes cardíacos de silicone só podiam conter detalhes da superfície externa do modelo. Detalhes intra-cardíacos, incluindo toda a região da poça sanguínea, seriam preenchidos com silicone e perdidos. Estudos anteriores alcançaram modelos de silicone de áreas específicas de interesse dentro do coração (por exemplo, raiz aórtica21) ou usaram um método extrapolatório para simular tecido miocárdio22. Este protocolo é novo, pois busca combinar o uso de material de silicone com simulação anatômica de alta resolução e miocárdica completa, evitando especificamente qualquer método de extrapolação. Para nosso conhecimento, nenhum manuscrito descritivo forneceu uma metodologia que combina esses aspectos. O método descrito neste protocolo introduz uma técnica para alcançar um modelo cardíaco específico do paciente com replicação anatômica intra-cardíaca precisa o suficiente para a prática pré-operatória cirúrgica. O método envolve a criação de um molde miocárdio para manter o silicone na forma adequada à medida que cura e um molde interno para preservar os detalhes internos intra-cardíacos do modelo e evitar que o silicone encha a região da poça sanguínea do coração. O molde interno deve então ser dissolvido, deixando um modelo cardíaco inteiro de silicone com anatomia específica do paciente nas superfícies externa e interna. Sem o protocolo proposto de criação de modelos cardíacos aqui, não existe uma solução de baixo custo para simular o procedimento cirúrgico com um material que imita as características reais do tecido do miocárdio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Após a conclusão do protocolo, deve resultar um modelo cardíaco de silicone específico do paciente para preparação cirúrgica. No entanto, existem várias etapas críticas que devem ser concluídas corretamente para que isso seja alcançado. Um resumo das etapas críticas do protocolo pode ser visto no Arquivo Suplementar 2, bem como resultados potenciais se as etapas não forem executadas corretamente. O primeiro passo crítico envolve a segmentação dos dados de imagem radiológica do paciente. Esta etapa requer a aquisição de um conjunto de dados de imagem 3D diagnóstico. A utilidade do modelo no planejamento pré-cirúrgico ou educação depende da qualidade do conjunto de dados 3D. Recomenda-se a utilização de um conjunto de imagens coletados com um tamanho de fatia entre 0,625 mm e 2,6 mm para garantir que o conjunto de dados será de resolução adequada para a produção do modelo. No entanto, todos os parâmetros de imagem devem ser definidos por um médico especialista em radiologia, sendo o atendimento ao paciente a prioridade. Deve-se notar que pode ser possível produzir um modelo a partir de um conjunto de imagem coletado com um tamanho de fatia fora dos valores recomendados, mas a resolução e a qualidade do modelo serão impactadas negativamente. Após a obtenção das imagens, se a segmentação não for realizada corretamente, ela não é comumente realizada até que o modelo final seja produzido e cortado, resultando em perda de tempo e materiais. Para evitar esse resultado negativo, recomenda-se que um especialista em assuntos revise os arquivos segmentados antes de criar os moldes digitais para controle de qualidade. O próximo passo crítico ocorre durante a criação dos moldes digitais. É importante garantir que o caso do miocárdio possa ser montado ao redor do modelo da poça sanguínea. Se o caso não fechar ao redor da poça sanguínea, ele não pode ser usado para criar o modelo de silicone, pois o silicone não definido irá vazar continuamente, e a anatomia pode ser distorcida. Uma ferramenta de lixamento rotativo portátil pode ser usada para remover levemente pedaços do molde do miocárdio somente se pequenos ajustes forem necessários. Se forem necessários grandes ajustes, o molde digital precisará ser alterado e uma caixa atualizada impressa. O último passo crítico é o derramamento do silicone. A adesão rigorosa às instruções materiais é necessária ao usar o silicone, pois a falha em fazê-lo pode resultar em silicone que cura com uma superfície brega. Se a superfície for considerada muito brega para uso pela PME, a poça de sangue pode ter que ser reimpressa se não puder ser removida com sucesso do silicone. O silicone terá que ser re-derramado, resultando em perda de tempo e materiais. Se for usado silicone insuficiente ou o silicone vazar do molde da caixa do miocárdio durante o processo de ajuste, o modelo resultante estará incompleto. Esta falha pode ser remediada misturando e despejando silicone adicional no molde. Um material como cola quente ou argila pode ser usado para selar as costuras do molde da caixa do miocárdio se uma pequena quantidade de silicone parece estar vazando durante o processo de cura.
Este método de criação de modelos cardíacos de silicone específicos do paciente pode ser modificado para permitir a criação de um modelo de qualquer estrutura anatômica macia com geometria interna e externa específica do paciente ou complexa. Supondo que a anatomia alvo seja segmentada corretamente, as etapas restantes do protocolo poderiam ser seguidas com mudança mínima. Embora não seja o foco do trabalho atual, o protocolo foi aplicado ao parênquim hepático com sucesso semelhante. O material de impressão 3D utilizado também pode ser modificado. ABS e PLA são recomendados para uso devido ao seu baixo custo, mas qualquer material de impressão 3D dissolvido pode tomar o lugar de ABS, e qualquer material de impressão 3D desejável pode tomar o lugar de PLA com mínima ou nenhuma alteração no protocolo. Todos os parâmetros de impressão especificados pelo fabricante de filamentos devem ser seguidos ao usar outros materiais de impressão. Este método pode ser modificado ainda pelo uso de um silicone diferente. O silicone recomendado para uso neste protocolo tem uma dureza de 2 A, mas se outro valor de dureza da costa é desejável, um silicone diferente pode ser substituído com mínima ou nenhuma alteração no protocolo. Certifique-se de aderir a todas as especificações e procedimentos de fabricação ao usar um produto de silicone diferente.
Embora este protocolo delineie um procedimento de modelagem cardíaca melhorado, não é sem limitações. A maior limitação deste protocolo é que, embora o silicone de cura de platina utilizado esteja mais próximo da dureza do tecido cardíaco do que outros materiais disponíveis, a dureza não é a única propriedade que desempenha um papel na habilidade motora fina do treinamento cirúrgico. Em particular, o tecido cardíaco real demonstrará fribilidade ou rasgar sob força. O silicone utilizado é muito elástico, com alongamento na quebra de 763% e resistência à tração de 1.986 kPa19. O tecido cardíaco suíno, que acredita-se ser uma representação precisa do tecido cardíaco humano, tem um alongamento ao rompimento de 28-66% e força de tração de 40-59 kPa26. Essa diferença apresenta um problema, pois os companheiros cirúrgicos cardíacos podem realizar uma operação prática em um coração modelo de silicone e ganhar uma falsa sensação de confiança, pois o modelo pode suportar forças que o tecido cardíaco real não pode. Essa metodologia também tem o potencial de ser limitada por um modelo cardíaco com geometria muito complexa. À medida que a complexidade anatômica do modelo aumenta, o protocolo pode compensar aumentando o número de peças no molde do miocárdio. Essencialmente, modelos cada vez mais complexos exigirão projetos de moldes cada vez mais complexos e maior tempo de design.
O processo de criação do modelo descrito neste protocolo é superior a muitas das outras alternativas disponíveis devido à sua capacidade de recriar réplicas anatômicas exatas de baixo custo da anatomia cirurgicamente encontrada. Tecido cadavérico e animal permite simulações de alta fidelidade, mas eles têm um custo muito maior e exigem configurações laboratoriais específicas para serem utilizadas e mantidas2,6. Além disso, modelos cadavéricos e de tecido animal têm preocupações éticas, não são específicos do paciente, e o CHD complexo muitas vezes deve ser fabricado manualmente por um cirurgião ou instrutor, muitas vezes levando a imprecisões ou danos aos tecidos e órgãos circundantes. Outra técnica de modelagem em potencial envolve o uso da realidade virtual. A realidade virtual permite a replicação digital de modelos cardíacos específicos do paciente, que é uma ferramenta eficaz para estabelecer representações mentais precisas da anatomia do paciente e planos cirúrgicos. Além disso, alguns sistemas VR permitiram simulações básicas com a incorporação de feedback háptico. No entanto, o feedback háptico disponível não tem o realismo necessário para replicar as habilidades motoras finas necessárias para procedimentos cirúrgicos cardíacos congênitos4. A impressão 3D é outro método disponível para produzir modelos cardíacos específicos do paciente2,24. No entanto, a implementação generalizada de impressoras 3D de alta fidelidade capazes de produzir modelos macios multimaterial são inibidas pelo seu custo extremamente alto11,14,15. Impressoras 3D de baixo custo estão disponíveis, mas só podem imprimir em materiais muito mais firmes que o miocárdio real. Quando um dos materiais mais macios disponíveis para uma impressora 3D foi usado para criar um modelo por Scanlan et al., o modelo foi encontrado mais firme do que tecido cardíaco real17. O material descrito tinha uma dureza de costa entre 26 A e 28 A, dando-lhe uma textura semelhante a um elástico. O silicone curado de platina usado neste protocolo tem uma dureza de 2 A, dando-lhe uma textura semelhante a uma inserção de sapato gel e muito mais perto da dureza de tecidos cardíacos reais, que é de 43 0020 ou ~0 A. Hoashi et al. também utilizou um método semelhante ao descrito neste protocolo para desenvolver um modelo cardíaco impresso 3D flexível. Dois moldes, representando a geometria interna e externa do miocárdio, foram impressos em 3D utilizando uma impressora SLA seguido de fundição a vácuo de uma resina de poliuretano em forma de borracha. Embora este método tenha produzido um modelo cardíaco macio, o custo de produção proposto deste método por modelo foi de 2.000 a 3.000 USD22. Comparativamente, o custo total do material do método descrito no protocolo apresentado é inferior a 10 USD. Finalmente, um método semelhante também foi usado por Russo et al. para criar modelos de silicone da válvula aórtica e aorta proximal para a prática processual. Enquanto o Russo et al. o método é focado em um objetivo semelhante, seu processo apresentado destinado a replicar anatomias muito mais simples das válvulas aorta ou aórtica. O protocolo aqui apresentado se diferencia focando em anatomias intra-cardíacas e miocárdias menores, mais complexas, e seriam extremamente difíceis de replicar dadas as metodologias históricas. Apesar dessa diferença, os modelos criados por Russo et al. foram altamente úteis para simulação e treinamento em cirurgia cardíaca por cirurgiões cardíacos pesquisados23. Essencialmente, o método descrito neste protocolo permite a criação de modelos cardíacos congênitos complexos e específicos do paciente com defeitos e propriedades materiais representados com precisão mais semelhantes ao tecido cardíaco real do que outros métodos de modelagem1,16, permitindo que os modelos sejam operados com uma fidelidade háptica realista.
Seguindo em frente, essa metodologia poderia ser aplicada à formação de um modelo de qualquer anatomia do paciente com características internas e externas complexas. Desenvolver um material alternativo de poça sanguínea que poderia ser removido de dentro do modelo de silicone de forma menos destrutiva ou produzido usando um método menos demorado tornaria o processo mais demorado e econômico. Como resultado, uma nova poça de sangue não teria que ser reproduzida para cada processo de moldagem subsequente, levando à escalabilidade do treinamento associado. As propriedades físicas do silicone usado para criar o modelo também poderiam ser melhoradas. O silicone com menos alongamento no intervalo aumentaria o realismo do modelo e ajudaria a melhorar seu valor como ferramenta educacional para os companheiros cirúrgicos cardíacos que tentam aprender as habilidades motoras finas necessárias para a realização desses procedimentos complexos. Um grupo de materiais atualmente no mercado dignos de consideração para ajudar nesta solução são materiais de vidro simulados de silicone25. Estes materiais de silicone demonstram muito menos alongamento no intervalo, levando a uma distinta “quebra” após a aplicação da força de uma maneira semelhante ao vidro. A modulação do silicone de cura de platina usado neste protocolo com adições deste material de vidro simulado de silicone pode permitir o controle das características de fribilidade do modelo, mantendo ainda a dureza adequada da costa, melhorando a fidelidade sáptica geral. Finalmente, a resolução de anatomia que este protocolo pode produzir é limitada pela resolução da impressora 3D utilizada para gerar os moldes. À medida que a tecnologia continua a melhorar, a resolução de anatomia que pode ser criada com este protocolo também deve melhorar.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de reconhecer a OSF HealthCare por tornar este estudo possível, bem como o Dr. Mark Plunkett por seu conhecimento processual e aplicação de habilidades ao nosso produto final.
Materials
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| 1.75 mm PLA filament | Matter Hacker | https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
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