Creación de modelos cardíacos de silicona específicos del paciente con aplicaciones en planes prequirúrgicos y capacitación práctica
Summary
Los modelos específicos del paciente mejoran la confianza del cirujano y de los compañeros al desarrollar o aprender planes quirúrgicos. Las impresoras tridimensionales (3D) generan detalles adecuados para la preparación quirúrgica, pero no logran replicar la fidelidad háptica del tejido. Se presenta un protocolo que detalla la creación de modelos cardíacos de silicona específicos del paciente, combinando la precisión de la impresión 3D con tejido de silicona simulado.
Abstract
Los modelos tridimensionales pueden ser una herramienta valiosa para los cirujanos a medida que desarrollan planes quirúrgicos y los becarios médicos a medida que aprenden sobre casos complejos. En particular, los modelos 3D pueden desempeñar un papel importante en el campo de la cardiología, donde se producen enfermedades cardíacas congénitas complejas. Si bien muchas impresoras 3D pueden proporcionar modelos anatómicamente correctos y detallados, los materiales de impresión 3D existentes no pueden replicar las propiedades del tejido miocárdico y pueden ser extremadamente costosos. Este protocolo tiene como objetivo desarrollar un proceso para la creación de modelos específicos del paciente de defectos cardíacos congénitos complejos utilizando una silicona de bajo costo que coincida más estrechamente con las propiedades del músculo cardíaco. Con la fidelidad mejorada del modelo, el entrenamiento real del procedimiento quirúrgico podría ocurrir antes del procedimiento. La creación exitosa de modelos cardíacos comienza con la segmentación de imágenes radiológicas para generar un charco sanguíneo virtual (sangre que llena las cámaras del corazón) y moho de tejido miocárdico. El charco de sangre y el moho miocárdico están impresos en 3D en acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), un plástico soluble en acetona. El molde se ensambla alrededor de la piscina de sangre, creando un espacio negativo que simula el miocardio. La silicona con una dureza de orilla de 2A se vierte en el espacio negativo y se deja curar. Se elimina el moho miocárdico y el modelo restante de silicona / piscina de sangre se sumerge en acetona. El proceso descrito da como resultado un modelo físico en el que todas las características cardíacas, incluidos los defectos intracardíacos, se representan con propiedades tisulares más realistas y se aproximan más que un enfoque de impresión 3D directa. La corrección quirúrgica exitosa de un modelo con una comunicación interventricular (CIV) utilizando un parche GORE-TEX (intervención quirúrgica estándar para el defecto) demuestra la utilidad del método.
Introduction
Casi 1 de cada 100 niños en los Estados Unidos nace con defectos cardíacos congénitos (CHD). Debido a la propensión de las madres con CHD a tener hijos con CHD, existe la expectativa de que la tasa pueda más que duplicarse en las próximas siete generaciones1. Si bien no cada CHD se considera complejo o grave, la expectativa general de crecimiento indica que existe una motivación para mejorar la tecnología y los procedimientos capaces de abordar el tratamiento de CHD. A medida que la tecnología mejora, los cirujanos cardíacos a menudo expresan su voluntad de abordar procedimientos más complejos. Esta voluntad ha llevado a un mayor número de procedimientos cardíacos complejos, impulsando la necesidad de técnicas más avanzadas de planificación quirúrgica y educación. A su vez, esto deja a los cirujanos cardíacos en necesidad de modelos altamente precisos y específicos del paciente y a los becarios quirúrgicos cardíacos que necesitan métodos de entrenamiento altamente efectivos.
La cirugía cardíaca congénita es una de las disciplinas quirúrgicas técnicamente más exigentes debido al pequeño tamaño de los pacientes, la complejidad de las anomalías cardíacas y la rareza de algunas anomalías2. En los casos más extremos, un niño puede nacer con un solo ventrículo. No es raro que el cirujano tome un vaso de 2,0 mm de diámetro y lo parchee con pericardio fijo para crear un vaso de 1,0 cm que permita que un recién nacido crezca en este procedimiento que salva vidas, todo mientras está bajo el reloj, ya que el recién nacido está en completo paro circulatorio. Entre el corazón normal de cuatro cámaras y estos ejemplos extremos hay innumerables posibilidades de tamaño de cámara y posiciones de válvulas que constituyen rompecabezas 3D altamente complejos. El papel del equipo cardíaco congénito es delinear claramente la anatomía única y desarrollar un plan para reconfigurar el tejido orgánico en un corazón funcional que permita que un niño crezca con la mejor oportunidad de una vida normal. Los modelos precisos permiten la práctica quirúrgica deliberada y la repetición en un entorno donde los errores pueden ser perdonados y no resultarán en daños al paciente3,4. Esta capacitación conduce al desarrollo de una mejor experiencia quirúrgica, así como habilidades técnicas y de juicio. Sin embargo, los recursos limitados y la rareza de ciertas afecciones cardíacas pueden hacer que lograr el nivel deseado de repetición y visualización sea casi imposible. Para ayudar a explicar esta deficiencia de recursos, ha habido un aumento en la utilización de simulaciones para la educación2,3. Las técnicas de simulación o modelado comúnmente utilizadas incluyen cadáveres humanos, tejidos animales, modelos de realidad virtual (VR) y modelos impresos en 3D.
El tejido cadavérico ha sido considerado históricamente como el estándar de oro para la simulación quirúrgica, con el tejido animal en segundo lugar. Los cadáveres y los tejidos animales pueden producir simulaciones de alta fidelidad porque contienen la estructura anatómica de interés, todos los tejidos circundantes, y permiten técnicas de perfusión para simular el flujo sanguíneo4. A pesar de los beneficios de los modelos de tejido, hay desventajas. El tejido embalsamado experimenta un cumplimiento mecánico reducido, lo que hace que algunas operaciones sean poco realistas y difíciles de realizar. Los tejidos requieren un mantenimiento constante, instalaciones específicas, no son reutilizables2, pueden ser costosos de obtener3 e históricamente han sido objeto de preocupaciones éticas. Lo más significativo es que las afecciones cardíacas congénitas simplemente no están disponibles en muestras cadavéricas.
Los modelos impresos en VR y 3D5,6,7,8,9,10 proporcionan otra opción para la educación cardíaca, la simulación y el modelado para ayudar en la creación de planes preoperatorios. Estos modelos reducen la ambigüedad asociada con la variada capacidad viso-espacial de un usuario para interpolar imágenes 2D como una estructura 3D10,11. El entorno virtual puede contener herramientas quirúrgicas que pueden manipularse e interactuar con modelos, lo que permite a los cirujanos y becarios desarrollar la coordinación mano-ojo, las habilidades motoras finas y la familiaridad con algunos procedimientos4. Se ha descubierto que las populares tecnologías actuales de impresión 3D, incluido el modelado por deposición fundida (FDM), la estereolitografía (SLA), la sinterización selectiva por láser (SLS) y el polyjet, producen modelos con precisión submilimétrica13. Tanto los modelos impresos en realidad virtual como en 3D son reutilizables y pueden ser extremadamente detallados; incluso se pueden generar modelos a partir de datos de imágenes radiológicas del paciente, lo que resulta en réplicas de la anatomía del paciente. A pesar de los muchos beneficios de un modelo impreso en VR o 3D, se quedan cortos cuando se consideran los requisitos de costo y fidelidad háptica de la cirugía cardíaca congénita. La configuración de un entorno de realidad virtual tiene un alto costo, y los entornos de realidad virtual no pueden proporcionar retroalimentación háptica del mundo real. Si bien la tecnología de fidelidad háptica está mejorando, la brecha actual inhibe la capacidad de un estudiante para familiarizarse con las habilidades motoras finas necesarias para realizar procedimientos4. Del mismo modo, dependiendo del tipo de tecnología de impresión 3D utilizada, el costo de la impresión 3D puede ser bastante alto, ya que se debe considerar el precio de compra de la impresora y el costo del material de impresión11,14. Se puede producir un solo modelo cardíaco de alta fidelidad con retroalimentación háptica realista utilizando una impresora de alta gama, pero costará cientos de dólares solo en material con un precio de compra de la impresora de más de 100,000 USD15. Se encontró que un modelo cardíaco producido utilizando un filamento con una dureza en tierra de 26-28 A costaba aproximadamente 220 USD por modelo16. Alternativamente, hay muchas impresoras y tecnologías 3D de bajo costo disponibles que tienen un precio de compra de impresora de menos de 5,000 USD. Se encontró que los precios promedio de los materiales para un modelo cardíaco generado en una impresora FDM de bajo costo eran de aproximadamente 3.80 USD usando un material con una dureza shore de 82 A y 35 USD usando un material con una dureza shore de 95 A15,16. Si bien estas máquinas ofrecen una solución de bajo costo, viene a costa de la fidelidad háptica.
Si bien la impresión VR y 3D puede permitir una evaluación visual y conceptual detallada de una afección cardíaca, el alto precio asociado con la producción de un modelo para la simulación quirúrgica práctica es a menudo una barrera significativa. Una solución es el uso de silicona para crear un modelo cardíaco física y texturalmente preciso. Los modelos de silicona específicos del paciente pueden facilitar una comprensión más profunda de la anatomía única al permitir a los cirujanos ver, sentir e incluso practicar un procedimiento mientras experimentan una retroalimentación háptica realista en un entorno que implica un riesgo mínimo para un paciente y no tiene consecuencias si el procedimiento no tiene éxito9. Se ha demostrado que el moldeo de silicona es un método eficaz para modelar la anatomía humana que produce modelos con propiedades físicas que están significativamente más cerca del tejido real que los modelos generados a partir de la impresión 3D de bajo costo17. Scanlan et al., compararon las propiedades de la impresión 3D de bajo costo con las válvulas cardíacas moldeadas con silicona para evaluar la similitud con el tejido real; el estudio encontró que si bien las propiedades físicas de las válvulas de silicona no eran una réplica exacta del tejido real, las propiedades eran muy superiores a las válvulas impresas en 3D17. El material de impresión 3D utilizado en el estudio se encuentra entre los materiales más blandos disponibles para impresoras 3D de bajo costo y posee una dureza shore entre 26 y 28 A18. La silicona de cura de platino recomendada para su uso en el protocolo a continuación tiene una dureza shore de 2 A que está mucho más cerca de la dureza shore del tejido cardíaco, 43 en la escala 00, o aproximadamente 0 A19,20. Esta diferencia es significativa porque los modelos de silicona permiten un entrenamiento de habilidades motoras finas de alta fidelidad que los materiales impresos directamente en 3D no logran. El costo total del material para el modelo propuesto en este protocolo es inferior a 10 USD. Los modelos de silicona propuestos combinan las propiedades de los tejidos blandos necesarias para una retroalimentación háptica realista con la versatilidad y precisión de los modelos impresos en 3D de bajo costo.
Si bien los beneficios de la silicona pueden parecer que la convierten en la opción obvia para la creación de modelos, el uso de la silicona ha sido restringido por la anatomía que se puede moldear. La silicona recién mezclada es un líquido que requiere un molde para mantenerlo en la forma deseada a medida que se cura. Históricamente, los moldes cardíacos de silicona solo podían contener detalles de la superficie exterior del modelo. Los detalles intracardíacos, incluida toda la región de la piscina de sangre, se llenarían de silicona y se perderían. Estudios previos han logrado modelos de silicona de áreas específicas de interés dentro del corazón (por ejemplo, raíz aórtica21) o han utilizado un método extrapolatorio para simular el tejido miocárdico22. Este protocolo es novedoso ya que busca combinar el uso de material de silicona con simulación anatómica miocárdica completa de alta resolución, evitando específicamente cualquier método de extrapolación. Hasta donde sabemos, ningún manuscrito descriptivo ha proporcionado una metodología que combine estos aspectos. El método descrito en este protocolo introduce una técnica para lograr un modelo cardíaco específico del paciente con replicación anatómica intracardíaca lo suficientemente precisa para la práctica quirúrgica preoperatoria. El método implica la creación de un molde miocárdico para mantener la silicona en la forma adecuada a medida que se cura y un molde interno para preservar los detalles internos e intracardíacos del modelo y evitar que la silicona llene la región del grupo sanguíneo del corazón. El molde interno debe disolverse, dejando un modelo cardíaco de silicona completo con anatomía específica del paciente en las superficies externa e interna. Sin el protocolo propuesto de creación de modelos cardíacos aquí, no existe una solución de bajo costo para simular el procedimiento quirúrgico con un material que imite las características tisulares reales del miocardio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Al finalizar el protocolo, debe resultar un modelo cardíaco de silicona específico del paciente para la preparación quirúrgica. Sin embargo, hay varios pasos críticos que deben completarse correctamente para que esto se logre. Un resumen de los pasos críticos en el protocolo se puede ver en el Archivo Suplementario 2, así como los posibles resultados si los pasos no se realizan correctamente. El primer paso crítico implica la segmentación de los datos de imágenes radiológicas del paciente. Este paso requiere la adquisición de un conjunto de datos de diagnóstico por imágenes 3D. La utilidad del modelo en la planificación o educación prequirúrgica depende de la calidad del conjunto de datos 3D. Se recomienda utilizar un conjunto de imágenes recopilado con un tamaño de rebanada entre 0,625 mm y 2,6 mm para garantizar que el conjunto de datos tenga una resolución adecuada para la producción de modelos. Sin embargo, todos los parámetros de imagen deben ser establecidos por un médico experto en radiología, siendo la atención al paciente la prioridad. Cabe señalar que puede ser posible producir un modelo a partir de un conjunto de imágenes recopilado con un tamaño de corte fuera de los valores recomendados, pero la resolución y la calidad del modelo se verán afectadas negativamente. Después de obtener las imágenes, si la segmentación no se realiza correctamente, comúnmente no se realiza hasta que se produce y corta el modelo final, lo que resulta en una pérdida de tiempo y materiales. Para evitar este resultado negativo, se recomienda que un experto en la materia revise los archivos segmentados antes de crear los moldes digitales para el control de calidad. El siguiente paso crítico ocurre durante la creación de los moldes digitales. Es importante asegurarse de que el caso de miocardio se pueda ensamblar alrededor del modelo de piscina de sangre. Si el estuche no se cierra alrededor de la reserva de sangre, no se puede usar para crear el modelo de silicona, ya que la silicona no establecida se filtrará continuamente y la anatomía podría distorsionarse. Se puede usar una herramienta de lijado rotativa de mano para eliminar ligeramente piezas del molde miocárdico solo si se necesitan pequeños ajustes. Si se necesitan grandes ajustes, el molde digital deberá modificarse e imprimirse una caja actualizada. El paso crítico final es el vertido de la silicona. El cumplimiento estricto de las instrucciones del material es necesario cuando se usa la silicona, ya que no hacerlo puede resultar en silicona que se cura con una superficie pegajosa. Si la superficie se considera demasiado pegajosa para su uso por la PYME, es posible que la reserva de sangre tenga que ser reimpresa si no se puede eliminar con éxito de la silicona. La silicona tendrá que ser vertida de nuevo, lo que resulta en una pérdida de tiempo y materiales. Si no se utiliza suficiente silicona o la silicona se escapa del molde de la caja miocárdica durante el proceso de fraguado, el modelo resultante estará incompleto. Esta falla se puede remediar mezclando y vertiendo silicona adicional en el molde. Se puede usar un material como pegamento caliente o arcilla para sellar las costuras del molde de la caja miocárdica si una pequeña cantidad de silicona parece filtrarse durante el proceso de curado.
Este método de creación de modelos cardíacos de silicona específicos del paciente se puede modificar para permitir la creación de un modelo de cualquier estructura anatómica blanda con geometría interna y externa compleja o específica del paciente. Suponiendo que la anatomía objetivo esté segmentada correctamente, los pasos restantes del protocolo podrían seguirse con un cambio mínimo. Si bien no es el enfoque del trabajo actual, el protocolo se ha aplicado al parénquima hepático con un éxito similar. El material de impresión 3D utilizado también se puede modificar. Se recomienda el uso de ABS y PLA debido a su bajo costo, pero cualquier material de impresión 3D soluble puede tomar el lugar de ABS, y cualquier material de impresión 3D deseable puede tomar el lugar de PLA con un cambio mínimo o nulo en el protocolo. Se deben seguir todos los parámetros de impresión especificados por el fabricante del filamento cuando se utilizan otros materiales de impresión. Este método se puede modificar aún más mediante el uso de una silicona diferente. La silicona recomendada para su uso en este protocolo tiene una dureza shore de 2 A, pero si se desea otro valor de dureza shore, se puede sustituir una silicona diferente con un cambio mínimo o nulo en el protocolo. Asegúrese de cumplir con todas las especificaciones y procedimientos de fabricación cuando use un producto de silicona diferente.
Si bien este protocolo describe un procedimiento de modelado cardíaco mejorado, no está exento de limitaciones. La principal limitación de este protocolo es que, si bien la silicona de cura de platino utilizada está más cerca de la dureza del tejido cardíaco que otros materiales disponibles, la dureza no es la única propiedad que desempeña un papel en la habilidad motora fina del entrenamiento quirúrgico. En particular, el tejido cardíaco real demostrará friabilidad o desgarro bajo fuerza. La silicona utilizada es muy elástica, con un alargamiento a la rotura del 763% y una resistencia a la tracción de 1.986 kPa19. El tejido cardíaco porcino, que se cree que es una representación precisa del tejido cardíaco humano, tiene un alargamiento en la rotura del 28-66% y una resistencia a la tracción de 40-59 kPa26. Esta diferencia presenta un problema, ya que los becarios quirúrgicos cardíacos pueden realizar una operación de práctica en un corazón modelo de silicona y obtener una falsa sensación de confianza porque el modelo puede soportar fuerzas que el tejido cardíaco real no puede. Esta metodología también tiene el potencial de ser limitada por un modelo cardíaco con geometría muy compleja. A medida que aumenta la complejidad anatómica del modelo, el protocolo puede compensar aumentando el número de piezas en el molde miocárdico. Esencialmente, los modelos cada vez más complejos requerirán diseños de moldes cada vez más complejos y un mayor tiempo de diseño.
El proceso de creación de modelos descrito en este protocolo es superior a muchas de las otras alternativas disponibles debido a su capacidad para recrear réplicas anatómicas exactas de bajo costo de la anatomía encontrada quirúrgicamente. El tejido cadavérico y animal permite simulaciones de alta fidelidad, pero tienen un costo mucho mayor y requieren configuraciones de laboratorio específicas para ser utilizadas y mantenidas.2,6. Además, los modelos de tejidos cadavéricos y animales tienen preocupaciones éticas, no son específicos del paciente, y la cardiopatía coronaria compleja a menudo debe ser fabricada manualmente por un cirujano o instructor, lo que a menudo conduce a imprecisiones o daños en los tejidos y órganos circundantes. Otra técnica de modelado potencial implica el uso de la realidad virtual. La realidad virtual permite la replicación digital de modelos cardíacos específicos del paciente, que es una herramienta efectiva para establecer representaciones mentales precisas de la anatomía del paciente y los planes quirúrgicos. Además, algunos sistemas de realidad virtual han permitido simulaciones básicas con la incorporación de retroalimentación háptica. Sin embargo, la retroalimentación háptica disponible carece del realismo necesario para replicar las habilidades motoras finas necesarias para los procedimientos quirúrgicos cardíacos congénitos.4. La impresión 3D es otro método disponible para producir modelos cardíacos específicos del paciente2,24. Sin embargo, la implementación generalizada de impresoras 3D de alta fidelidad capaces de producir modelos blandos de múltiples materiales se ve inhibida por su costo extremadamente alto.11,14,15. Las impresoras 3D de bajo costo están disponibles, pero solo pueden imprimir en materiales que son mucho más firmes que el miocardio real. Cuando scanlan et al. utilizaron uno de los materiales más blandos disponibles para una impresora 3D para crear un modelo, se descubrió que el modelo era más firme que el tejido cardíaco real.17. El material descrito tenía una dureza en tierra entre 26 A y 28 A, lo que le daba una textura similar a una banda elástica. La silicona curada con platino utilizada en este protocolo tiene una dureza shore de 2 A, lo que le da una textura similar a un inserto de zapato de gel y mucho más cercana a la dureza de los tejidos cardíacos reales, que es de 43 0020 o ~0 A. Hoashi et al. también utilizó un método similar al descrito en este protocolo para desarrollar un modelo de corazón impreso en 3D flexible. Dos moldes, que representan la geometría miocárdica interna y externa, se imprimieron en 3D utilizando una impresora SLA seguida de la fundición al vacío de una resina de poliuretano similar al caucho. Si bien este método produjo un modelo cardíaco blando, el costo de producción propuesto de este método por modelo fue de 2,000 a 3,000 USD22. Comparativamente, el costo total del material del método descrito en el protocolo presentado es inferior a 10 USD. Finalmente, un método similar también fue utilizado por Russo et al.. crear modelos de silicona de la válvula aórtica y la aorta proximal para la práctica procesal. Mientras que los Russo et al. El método se centra en un objetivo similar, su proceso presentado destinado a replicar anatomías mucho más simples de la aorta o las válvulas aórticas. El protocolo aquí presentado se diferencia por centrarse en las anatomías intracardíacas y miocárdicas que son más pequeñas, más complejas y serían extremadamente difíciles de replicar dadas las metodologías históricas. A pesar de esta diferencia, los modelos creados por Russo et al. fueron de gran utilidad para la simulación y el entrenamiento en cirugía cardíaca por parte de los cirujanos cardíacos encuestados23. Esencialmente, el método descrito en este protocolo permite la creación de bajo costo de modelos cardíacos congénitos complejos y específicos del paciente con defectos representados con precisión y propiedades materiales más similares al tejido cardíaco real que otros métodos de modelado.1,16, permitiendo operar modelos con una fidelidad háptica realista.
En el futuro, esta metodología podría aplicarse a la formación de un modelo de anatomía de cualquier paciente con características internas y externas complejas. El desarrollo de un material alternativo de la piscina de sangre que podría eliminarse del modelo de silicona de una manera menos destructiva o producirse utilizando un método que consuma menos tiempo haría que el proceso fuera más eficiente en tiempo y costo. Como resultado, no sería necesario reproducir un nuevo grupo de sangre para cada proceso de moldeo posterior, lo que llevaría a la escalabilidad del entrenamiento asociado. Las propiedades físicas de la silicona utilizada para crear el modelo también podrían mejorarse. La silicona con menos alargamiento en el descanso aumentaría el realismo del modelo y ayudaría a mejorar su valor como herramienta educativa para los becarios de cirugía cardíaca que intentan aprender las habilidades motoras finas necesarias para realizar estos procedimientos complejos. Un grupo de materiales actualmente en el mercado dignos de consideración para ayudar en esta solución son los materiales de vidrio simulado de silicona25. Estos materiales de silicona demuestran mucho menos alargamiento en la rotura, lo que lleva a una “ruptura” distinta al aplicar la fuerza de una manera similar al vidrio. La modulación de la silicona de curado de platino utilizada en este protocolo con adiciones de este material de vidrio simulado de silicona puede permitir el control de las características de friabilidad del modelo al tiempo que se mantiene la dureza de tierra adecuada, mejorando la fidelidad háptica general. Finalmente, la resolución de la anatomía que este protocolo puede producir está limitada por la resolución de la impresora 3D utilizada para generar los moldes. A medida que la tecnología continúa mejorando, la resolución de la anatomía que se puede crear con este protocolo también debería mejorar.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a OSF HealthCare por hacer posible este estudio, así como al Dr. Mark Plunkett por su conocimiento de procedimiento y aplicación de habilidades a nuestro producto 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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