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.