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.