Criação de modelos cardíacos de silicone específicos do paciente com aplicações em planos pré-cirúrgicos e treinamento prático
10 de fevereiro de 2022
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.
Doença cardíaca congênita complexa é um problema 3D difícil. As tecnologias de impressão 3D existentes não replicam de perto as propriedades do tecido miocárdio. Este protocolo cria modelos para treinamento cirúrgico de alta fidelidade.
Esta técnica cria efetivamente modelos 3D específicos do paciente a partir de suas imagens. Modelar a anatomia interna e externa de seus órgãos nos permite conhecer e cuidar intimamente de nossos pacientes. Criar esses modelos em um material que represente de perto o tecido anatômico permite que essa técnica se aplique a qualquer treinador de procedimento que inclua anatomia.
Para começar, abra o arquivo STL modelo de caso miocárdio em um programa CAD. Em Magics, importe os arquivos STL gerados através da parte de importação dois. Na janela de gerenciamento de projetos, selecione a opção transparente de renderização do modelo.
Use os botões do mouse esquerdo e direito para controlar a ferramenta de rotação e panorâmica para ajustar a visão da base do miocárdio apontando o ápice do coração para baixo e o arco de aorta horizontal. Para aparar o excesso de material de caixa do miocárdio do modelo, vá para ferramentas, selecione corte e indique polilina, em seguida, selecione pontos de interesse e clique em aplicar. Da mesma forma, corte a caixa do miocárdio em vários pedaços.
Vá para cortar, selecione indicar polilina, em seguida, selecione pontos de interesse para fazer um corte horizontal através da aorta que divide a caixa do miocárdio em uma metade inferior contendo o ápice e metade superior, bem como para fazer dois cortes verticais ao longo da seção mais larga da metade inferior e superior da caixa do miocárdio. E, finalmente, clique em se candidatar. Para garantir o alinhamento adequado durante a montagem, usando uma ferramenta de geração de adereços e uma ferramenta de subtração booleana com um valor de liberação de 0,25 milímetros, crie adereços e cavidades de adereços correspondentes e adicione-as às peças da caixa do miocárdio clicando em adicionar adereços.
Indique a posição no modelo e clique em aplicar. Em um dos pedaços superiores da caixa do miocárdio, crie um orifício de preenchimento de silicone de um diâmetro de um centímetro e verifique a colocação do orifício com uma PME. Selecione verificar diagnósticos para verificar diagnósticos em todas as peças de caso individualmente para encontrar erros como normal invertido, bordas ruins, contornos ruins, bordas quase ruins, orifícios de planar ou conchas nas peças de caixa do miocárdio.
Se um erro for detectado, clique em resolver automaticamente para repará-lo. E, alternativamente, os erros podem ser corrigidos manualmente ou usando uma ferramenta de fixação ou assistente. Se os erros não puderem ser corrigidos usando a opção alternativa, corrija os erros usando uma ferramenta de envoltório de encolhimento.
Clique na correção, selecione encolher o envoltório e siga a caixa de diálogo para ajustar o intervalo da amostra de envoltório e os valores de preenchimento de lacunas necessários para corrigir os erros na peça específica sem alterar a fisiologia após a revisão de PME. Em seguida, salve ou exporte as peças individuais do caso do miocárdio como arquivos STL. Abra os modelos de caixa do miocárdio e poça de sangue no software cortador apropriado para produzir arquivos de impressão 3D.
Adicione suportes de impressão 3D a todas as peças manualmente ou use uma ferramenta automática de geração de suporte fornecida no software, se disponível. Corte os modelos para gerar código G para uso na impressora 3D com os parâmetros descritos no manuscrito de texto e salve ou exporte o código G. Carregue o arquivo de impressão na impressora 3D.
Depois de garantir que o filamento correto seja carregado na impressora 3D, comece a imprimir. Quando a impressão estiver concluída, use o alicate do nariz da agulha e as pinças para remover todo o material de suporte das peças impressas. Monte as peças da caixa do miocárdio ao redor do molde da piscina de sangue, garantindo que todas as peças se encaixem firmemente.
Se a caixa do miocárdio não puder caber ao redor da poça sanguínea, faça pequenos ajustes nas peças de molde da caixa usando uma ferramenta de lixamento rotativo de mão para remover o material. Em seguida, suavize a superfície da caixa do miocárdio usando vapor de acetona. Para isso, force a parte inferior e lateral de um recipiente com toalhas de papel que não serão afetadas pela acetona.
Despeje a acetona na toalha de papel inferior e deixe que ela difunda as toalhas de papel para o lado do recipiente, mas não forme uma piscina na parte inferior. Coloque um pedaço de papel alumínio no recipiente para cobrir a toalha de papel inferior. Oriente as peças da caixa do miocárdio na folha de alumínio para que os rostos desejados sejam lisos sejam verticais, garantindo que as peças não se toquem ou as toalhas de papel nas paredes do recipiente.
Cubra o recipiente com papel alumínio e deixe que as peças da caixa do miocárdio permaneçam intactas no recipiente até que até 80% do acabamento de superfície desejado seja alcançado. Uma vez que a superfície esteja lisa, remova cuidadosamente as peças da caixa do miocárdio do recipiente, tocando apenas as superfícies externas, e deixe que as peças desgas completamente em uma área bem ventilada por cerca de 30 minutos ou até que as peças fiquem completamente secas e duras. Meça o volume da segmentação do miocárdio usando o software CAD para determinar a quantidade de silicone necessária.
Agitar completamente a parte A e a parte B do silicone. Se a cor for desejada no modelo, adicione pigmento e misture todas as partes e pigmentos completamente, em seguida, coloque um silicone completamente misturado em uma câmara de vácuo por dois a três minutos a 29 polegadas de mercúrio. Quando esta mistura de silicone estiver completamente desgaseada, remova-a da câmara e submerse a poça de sangue na mistura de silicone para garantir que todos os vazios e cavidades na piscina de sangue sejam preenchidos com silicone e a poça de sangue seja bem revestida.
Em uma área bem ventilada, pulverize minuciosamente todos os pedaços da caixa do miocárdio com um produto de liberação fácil. Monte a metade inferior da caixa do miocárdio ao redor do ápice da poça sanguínea. Em caso de vazamento, sele o vazamento usando grampos, cola quente ou argila.
Em seguida, despeje silicone no espaço entre a poça de sangue e a parede da caixa até que as peças de molde do miocárdio montados estejam preenchidas. Depois de montar as peças restantes da caixa do miocárdio, fixe as peças da caixa firmemente usando elásticos e grampos conforme necessário. Quando o silicone for solidificado, remova o coração de silicone da caixa do miocárdio e corte todas as costuras de silicone criadas a partir do espaço entre as peças da caixa ou do orifício de enchimento.
Depois de identificar todos os vasos sanguíneos com extremidades abertas no modelo de silicone, corte qualquer silicone que cubra os vasos para expor a poça de sangue ABS dentro. Submergir o coração de silicone em acetona e ABS começará a suavizar de 10 a 15 minutos após a submersão acetona. Uma vez que o ABS seja suavizado, remova grandes pedaços de ABS com pinças para aumentar a velocidade do processo de dissolução do ABS.
Quando a maior parte da poça sanguínea ABS tiver dissolvido, enxágue o coração de silicone com acetona limpa duas a três vezes para remover todo o ABS do silicone. Remova o modelo cardíaco da acetona e permita que a acetona restante evapore do modelo em uma área bem ventilada. Para avaliar a precisão e funcionalidade do modelo de silicone, foram feitas duas incisões, uma no ventrículo esquerdo anterior e outra no ventrículo direito posterior para visualizar a anatomia interna.
O defeito septo ventricular esperado estava presente, assim como as estruturas interiores apropriadas e um patch GORE-TEX foi costurado no modelo por um cirurgião cardíaco congênito para corrigir o defeito septo ventricular. Projetar o molde é crucial. Certifique-se de cortar o molde em quantos pedaços você precisar para caber ao redor da poça de sangue.
Esta técnica desbloqueia a criação de modelos intrincados de silicone específicos do paciente. Não estamos mais constrangidos por limitações de material de impressão 3D. Em vez disso, temos o poder de atender a qualquer demanda por treinadores cirúrgicos complexos.
Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para a criação de modelos cardíacos de silicone específicos para cada paciente, que aprimoram o treinamento cirúrgico. Ao combinar a impressão 3D com materiais de silicone, os modelos têm como objetivo replicar as propriedades hápticas do tecido miocárdico com maior precisão do que os métodos tradicionais.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Cirurgia cardíaca
- Tecnologia de impressão 3D
- Modelagem médica
Contexto
- As cardiopatias congênitas complexas apresentam desafios significativos no planejamento cirúrgico.
- As tecnologias atuais de impressão 3D não imitam adequadamente as propriedades do tecido miocárdico.
- Modelos específicos para o paciente podem melhorar os resultados cirúrgicos e o treinamento.
- Compreender a anatomia por meio da modelagem aprimora o atendimento ao paciente.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método econômico para criar modelos de treinamento cirúrgico de alta fidelidade.
- Aprimorar a precisão das representações anatômicas em simulações cirúrgicas.
- Facilitar uma melhor preparação para procedimentos cardíacos complexos.
Métodos Utilizados
- Utilização de software CAD para manipular arquivos STL na criação de modelos.
- Impressão 3D de modelos de casos miocárdicos com preenchimento de silicone.
- Montagem de modelos para garantir precisão anatômica e funcionalidade.
- Técnicas de suavização superficial para aumentar a fidelidade do modelo.
Resultados Principais
- Criação bem-sucedida de modelos cardíacos de silicone que imitam de perto as propriedades dos tecidos.
- Resultados aprimorados no treinamento cirúrgico relatados pelos usuários.
- Os modelos demonstraram representação anatômica eficaz para diversos procedimentos cardíacos.
- Métodos de produção economicamente viáveis foram estabelecidos para uso amplo.
Conclusões
- Modelos de silicone específicos para o paciente aprimoram significativamente o treinamento cirúrgico.
- O protocolo pode ser adaptado para diversas aplicações cirúrgicas além da cardiologia.
- Estudos futuros podem explorar aprimoramentos adicionais na fidelidade e usabilidade do modelo.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Modelos cardíacos de silicone específicos para o paciente preenchem uma lacuna crítica no treinamento cirúrgico ao replicar as propriedades dos tecidos miocárdicos com maior precisão do que os modelos impressos em 3D convencionais. Essa abordagem permite um planejamento pré-cirúrgico realista e treinamento prático para correções de defeitos cardíacos congênitos complexos, reduzindo o risco do procedimento e melhorando a preparação cirúrgica. O método favorece a continuidade translacional do exame de imagem até a validação funcional do modelo, aumentando a confiança preditiva nos resultados cirúrgicos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a validação funcional de hipóteses anatômicas em estruturas cardíacas específicas de pacientes.
- Valor Operacional: Fornece modelos concretos para a redução de riscos mecanicistas de intervenções cirúrgicas antes da aplicação clínica.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gera modelos físicos padronizados e reproduzíveis para avaliação consistente de técnicas cirúrgicas.
- Valor Operacional: Apoia a prontidão semelhante a ensaios ao permitir testes repetidos de posicionamento de retalhos e técnicas de sutura.
Pesquisa Translacional e Pré-Clinica
- Valor Científico: Conecta a segmentação derivada de imagens à validação de modelos físicos para o planejamento pré-operatório.
- Valor Operacional: Facilita decisões de avanço ajustadas ao risco, permitindo que cirurgiões pratiquem e aprimorem técnicas em réplicas específicas do paciente.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra ao continuum de descoberta ao transformar dados de imagem do paciente em modelos de treinamento funcionais que apoiam a identificação de candidatos promissores nos testes de dispositivos cirúrgicos e na validação pré-clínica de estratégias de reparo.
- Biologia da Descoberta: Permite testar hipóteses sobre geometria de defeitos e viabilidade de reparo por meio da manipulação de modelos físicos.
- Triagem: Oferece prontidão quantitativa por meio de modelos solúveis do compartimento sanguíneo que permitem avaliar o acesso interno ao defeito e a integração do retalho.
- Análise: Fornece resultados mensuráveis, como volume do defeito e deformação do tecido sob estresse de sutura, para análise comparativa.
- Pesquisa Translacional: Garante a continuidade desde a segmentação virtual até o modelo físico, validando a precisão anatômica antes da aplicação cirúrgica.
- Reutilização Empresarial: Estabelece um fluxo de trabalho reutilizável para gerar treinadores cirúrgicos específicos para pacientes com condições cardíacas congênitas e adquiridas.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Melhora a confiança preditiva ao replicar a haptica do tecido nativo, reduzindo a ambiguidade na previsão de resultados cirúrgicos.
- Valor Operacional: Aprimora a padronização e escalabilidade por meio de técnicas de moldes solúveis e moldagem reprodutível em silicone.
- Valor Estratégico: Aumenta a eficiência de capital ao permitir treinamentos de baixo custo e alta fidelidade, reduzindo a dependência de modelos animais ou tecidos cadavéricos.
- Impacto no Portfólio: Apoia decisões ajustadas ao risco de prosseguir ou não com a adoção de dispositivos cirúrgicos, demonstrando eficácia em simulações pré-operatórias específicas para o paciente.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em modelagem CAD, impressão 3D e manipulação de materiais de silicone.
- Depende do acesso a impressoras 3D capazes de imprimir ABS solúvel e ferramentas de pós-processamento, como câmaras de alisamento por vapor.
- Necessita padronização entre equipes de radiologia, engenharia biomédica e equipes cirúrgicas para segmentação e validação do modelo.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes complexidades de defeitos e escalonamento do modelo em anatomias pediátricas e adultas.
- Limitado pela necessidade de etapas manuais de pós-processamento, como remoção de suportes, alisamento com vapor de acetona e desgaseificação do silicone, para garantir fidelidade e segurança do modelo.
