Creación de modelos cardíacos de silicona específicos del paciente con aplicaciones en planes prequirúrgicos y capacitación práctica
10 de febrero de 2022
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.
La cardiopatía congénita compleja es un problema 3D difícil. Las tecnologías de impresión 3D existentes no logran replicar de cerca las propiedades del tejido miocárdico. Este protocolo crea modelos para el entrenamiento quirúrgico de alta fidelidad.
Esta técnica crea de manera rentable modelos 3D específicos del paciente a partir de sus imágenes. Modelar la anatomía interna y externa de sus órganos nos permite conocer y cuidar íntimamente a nuestros pacientes. La creación de estos modelos en un material que representa de cerca el tejido anatómico permite que esta técnica se aplique a cualquier entrenador de procedimientos que incluya anatomía.
Para comenzar, abra el archivo STL del modelo de caso miocárdico en un programa CAD. En Magics, importe los archivos STL generados a través de la segunda parte de importación. En la ventana de gestión de proyectos, seleccione la opción transparente de representación de modelos.
Utilice los botones izquierdo y derecho del ratón para controlar la herramienta de rotación y panorámica para ajustar la vista de la base miocárdica apuntando el vértice del corazón hacia abajo y el arco de la aorta horizontal. Para recortar el exceso de material de la caja miocárdica del modelo, vaya a herramientas, seleccione cortar e indicar polilínea, luego seleccione puntos de interés y haga clic en aplicar. Del mismo modo, corte la caja miocárdica en varios trozos.
Vaya a cortar, seleccione indicar polilínea, luego seleccione puntos de interés para hacer un corte horizontal a través de la aorta que divide la caja miocárdica en una mitad inferior que contiene el ápice y la mitad superior, así como para hacer dos cortes verticales a lo largo de la sección más ancha de la mitad inferior y la mitad superior del caso miocárdico. Y por último, haga clic en aplicar. Para garantizar una alineación adecuada durante el montaje, utilizando una herramienta de generación de puntales y una herramienta de sustracción booleana con un valor de holgura de 0,25 milímetros, cree puntales y cavidades de puntal coincidentes y agréguelos a las piezas de la caja miocárdica haciendo clic en agregar accesorios.
Indique la posición en el modelo y, a continuación, haga clic en aplicar. En una de las medias piezas superiores de la caja miocárdica, cree un orificio de relleno de silicona de un diámetro de un centímetro y verifique la colocación del orificio con una PYME. Seleccione verificar diagnósticos para verificar diagnósticos en todas las piezas de la caja individualmente para encontrar errores como normal invertido, bordes defectuosos, contornos defectuosos, bordes casi malos, orificios planos o conchas en las piezas de la caja miocárdica.
Si se detecta un error, haga clic en Resolución automática para repararlo. Y alternativamente, los errores se pueden corregir manualmente o mediante el uso de una herramienta o asistente de reparación. Si los errores no se pueden corregir con la opción alternativa, corrija los errores con una herramienta de envoltura retráctil.
Haga clic en corregir, seleccione envoltura retráctil y siga el cuadro de diálogo para ajustar el intervalo de muestra de envoltura retráctil y los valores de relleno de huecos según sea necesario para corregir los errores en la pieza específica sin alterar la fisiología tras la revisión de SME. A continuación, guarde o exporte las piezas individuales del caso miocárdico como archivos STL. Abra los modelos de cajas de miocardio y piscinas de sangre en el software de rebanadora apropiado para producir archivos de impresión 3D.
Agregue soportes de impresión 3D a todas las piezas manualmente o use una herramienta de generación de soporte automático proporcionada en el software si está disponible. Corte los modelos para generar código G para su uso en la impresora 3D con los parámetros descritos en el manuscrito de texto y guarde o exporte el código G. Cargue el archivo de impresión en la impresora 3D.
Después de asegurarse de que el filamento correcto se carga en la impresora 3D, comience a imprimir. Cuando se complete la impresión, use los alicates de nariz de aguja y las pinzas para eliminar todo el material de soporte de las piezas impresas. Ensamble las piezas de la caja de miocardio alrededor del molde de la piscina de sangre, asegurándose de que todas las piezas encajen bien.
Si el estuche de miocardio no puede caber alrededor del charco de sangre, haga pequeños ajustes en las piezas del molde de la caja utilizando una herramienta de lijado rotativo de mano para eliminar el material. A continuación, alise la superficie de la caja miocárdica con vapor de acetona. Para hacerlo, forre la parte inferior y los lados de un recipiente con toallas de papel que no se verán afectadas por la acetona.
Vierta la acetona en la toalla de papel inferior y permita que difunda las toallas de papel al costado del recipiente, pero no forme una piscina en el fondo. Coloque un trozo de papel de aluminio en el recipiente para cubrir la toalla de papel inferior. Oriente las piezas de la caja del miocardio sobre el papel de aluminio para que las caras deseadas sean lisas sean verticales, asegurando que las piezas no se toquen entre sí o las toallas de papel en las paredes del recipiente.
Cubra el recipiente con papel de aluminio y permita que las piezas de la caja miocárdica permanezcan intactas en el recipiente hasta que se logre hasta el 80% del acabado superficial deseado. Una vez que la superficie esté lisa, retire con cuidado las piezas de la caja miocárdica del recipiente, tocando solo las superficies externas, y deje que las piezas se desgasifiquen por completo en un área bien ventilada durante aproximadamente 30 minutos o hasta que las piezas se vuelvan completamente secas y duras. Mida el volumen de la segmentación del miocardio utilizando un software CAD para determinar la cantidad de silicona necesaria.
Agitar bien la parte A y la parte B de la silicona. Si se desea color en el modelo, agregue pigmento y mezcle todas las partes y el pigmento a fondo, luego coloque una silicona bien mezclada en una cámara de vacío durante dos o tres minutos a 29 pulgadas de mercurio. Cuando esta mezcla de silicona esté completamente desgasificada, retírela de la cámara y sumerja la piscina de sangre en la mezcla de silicona para asegurarse de que todos los vacíos y cavidades en la piscina de sangre se llenen con silicona y la piscina de sangre se cubra a fondo.
En un área bien ventilada, rocíe bien todas las piezas del estuche de miocardio con un producto de fácil liberación. Ensamble la mitad inferior de la caja miocárdica alrededor del ápice de la piscina de sangre. En caso de fuga, selle la fuga con abrazaderas, pegamento caliente o arcilla.
A continuación, vierta silicona en el espacio entre el charco de sangre y la pared de la caja hasta que se llenen las piezas de molde miocárdico ensambladas. Después de ensamblar las piezas restantes de la caja miocárdica, asegure las piezas de la caja firmemente con bandas elásticas y abrazaderas según sea necesario. Cuando la silicona esté solidificada, retire el corazón de silicona de la caja miocárdica y recorte las costuras de silicona creadas a partir del espacio entre las piezas de la caja o el orificio de relleno.
Después de identificar todos los vasos sanguíneos con extremos abiertos en el modelo de silicona, recorte cualquier silicona que cubra los vasos para exponer la acumulación de sangre ABS en el interior. Sumerja el corazón de silicona en acetona y el ABS comenzará a ablandarse de 10 a 15 minutos después de la inmersión de acetona. Una vez que el ABS se ablande, retire grandes trozos de ABS con pinzas para aumentar la velocidad del proceso de disolución del ABS.
Cuando la mayor parte de la reserva de sangre de ABS se haya disuelto, enjuague el corazón de silicona con acetona limpia dos o tres veces para eliminar todo el ABS de la silicona. Retire el modelo cardíaco de la acetona y permita que la acetona restante se evapore del modelo en un área bien ventilada. Para evaluar la precisión y funcionalidad del modelo de silicona, se realizaron dos incisiones, una en el ventrículo anterior izquierdo y la otra en el ventrículo posterior derecho para visualizar la anatomía interna.
La comunicación interventricular esperada estaba presente al igual que las estructuras interiores apropiadas y un cirujano cardíaco congénito cosió un parche GORE-TEX en el modelo para corregir la comunicación interventricular. Diseñar el molde es crucial. Asegúrese de cortar el molde en tantos pedazos como necesite para caber alrededor del charco de sangre.
Esta técnica desbloquea la creación de intrincados modelos de silicona específicos del paciente. Ya no estamos limitados por las limitaciones de material de impresión 3D. Más bien, estamos capacitados para satisfacer cualquier demanda de entrenadores quirúrgicos complejos.
Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para crear modelos cardíacos de silicona específicos para cada paciente que mejoran la formación quirúrgica. Al combinar la impresión 3D con materiales de silicona, los modelos pretenden replicar con mayor precisión las propiedades hápticas del tejido miocárdico en comparación con los métodos tradicionales.
Componentes Principales del Estudio
Área de la ciencia
- Cirugía cardíaca
- Tecnología de impresión 3D
- Modelado médico
Antecedentes
- Las cardiopatías congénitas complejas presentan desafíos significativos en la planificación quirúrgica.
- Las tecnologías actuales de impresión 3D no imitan adecuadamente las propiedades del tejido miocárdico.
- Los modelos específicos del paciente pueden mejorar los resultados quirúrgicos y la formación.
- La comprensión de la anatomía mediante modelado mejora la atención al paciente.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método rentable para crear modelos de entrenamiento quirúrgico de alta fidelidad.
- Mejorar la precisión de las representaciones anatómicas en las simulaciones quirúrgicas.
- Facilitar una mejor preparación para procedimientos cardíacos complejos.
Métodos Utilizados
- Uso de software CAD para manipular archivos STL y crear modelos.
- Impresión 3D de modelos de casos miocárdicos con relleno de silicona.
- Ensamblaje de modelos para garantizar la precisión y funcionalidad anatómicas.
- Técnicas de alisado superficial para mejorar la fidelidad del modelo.
Resultados principales
- Creación exitosa de modelos cardíacos de silicona que imitan de cerca las propiedades del tejido.
- Mejora de los resultados en la formación quirúrgica, según lo informado por los usuarios.
- Los modelos demostraron una representación anatómica efectiva para diversos procedimientos cardíacos.
- Se establecieron métodos de producción rentables para uso generalizado.
Conclusiones
- Los modelos de silicona específicos para el paciente mejoran significativamente la capacitación quirúrgica.
- El protocolo puede adaptarse para diversas aplicaciones quirúrgicas más allá de la cardiología.
- Estudios futuros podrían explorar refinamientos adicionales en la fidelidad y usabilidad del modelo.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Los modelos cardíacos de silicona específicos para el paciente abordan una brecha crítica en la formación quirúrgica al replicar las propiedades del tejido miocárdico con mayor precisión que los modelos impresos en 3D estándar. Este enfoque permite una planificación prequirúrgica realista y una formación práctica para la corrección de defectos cardíacos congénitos complejos, reduciendo el riesgo del procedimiento y mejorando la preparación quirúrgica. El método favorece la continuidad traslacional desde la obtención de imágenes hasta la validación del modelo funcional, aumentando la confianza predictiva en los resultados quirúrgicos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la validación funcional de hipótesis anatómicas en estructuras cardíacas específicas del paciente.
- Valor operativo: Proporciona modelos tangibles para la reducción mecanicista de riesgos de intervenciones quirúrgicas antes de su aplicación clínica.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Genera modelos físicos estandarizados y reproducibles para la evaluación consistente de técnicas quirúrgicas.
- Valor operativo: Facilita la preparación tipo ensayo al permitir la repetición de pruebas de colocación de parches y técnicas de sutura.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor Científico: Conecta la segmentación derivada de imágenes con la validación de modelos físicos para la planificación preoperatoria.
- Valor Operativo: Facilita decisiones de avance ajustadas al riesgo al permitir que los cirujanos practiquen y perfeccionen técnicas en réplicas específicas del paciente.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se integra en el continuo de descubrimiento al transformar los datos de imágenes de pacientes en modelos de entrenamiento funcionales que apoyan la identificación de candidatos en pruebas de dispositivos quirúrgicos y la validación preclínica de estrategias de reparación.
- Biología del Descubrimiento: Permite probar hipótesis sobre la geometría de defectos y la viabilidad de reparación mediante la manipulación de modelos físicos.
- Examen: Ofrece preparación cuantitativa mediante modelos solubles del lecho vascular que permiten evaluar el acceso interno al defecto y la integración del parche.
- Análisis: Proporciona resultados medibles, como el volumen del defecto y la deformación del tejido bajo tensión de sutura, para análisis comparativo.
- Investigación Traslacional: Garantiza la continuidad desde la segmentación virtual hasta el modelo físico, validando la precisión anatómica antes de la aplicación quirúrgica.
- Reutilización Empresarial: Establece un flujo de trabajo reutilizable para generar simuladores quirúrgicos específicos para pacientes con diversas afecciones cardíacas congénitas y adquiridas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva al replicar la tactilidad tisular nativa, reduciendo la ambigüedad en la predicción del resultado quirúrgico.
- Valor operativo: Mejora la estandarización y escalabilidad mediante técnicas de moldes solubles y moldeado reproductible de silicona.
- Valor estratégico: Aumenta la eficiencia del capital al permitir entrenamiento de bajo costo y alta fidelidad, reduciendo la dependencia de modelos animales o tejidos cadavéricos.
- Impacto en el portafolio: Apoya decisiones ajustadas al riesgo sobre la adopción o no de dispositivos quirúrgicos al demostrar su eficacia en simulaciones preoperatorias específicas del paciente.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en modelado CAD, impresión 3D y manipulación de materiales de silicona.
- Depende del acceso a impresoras 3D capaces de imprimir ABS soluble y herramientas de postprocesamiento como cámaras de alisado por vapor.
- Necesita estandarización entre equipos multidisciplinarios de radiología, ingeniería biomédica y cirugía para la segmentación y validación del modelo.
- Implica consideraciones de adaptación para distintas complejidades del defecto y escalado del modelo en anatomías pediátricas y adultas.
- Limitado por la necesidad de pasos manuales de postprocesamiento, como la eliminación de soportes, el alisado con vapor de acetona y la desgasificación de la silicona, para garantizar la fidelidad y seguridad del modelo.
