Summary
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.
Abstract
Modelos tridimensionais podem ser uma ferramenta valiosa para os cirurgiões à medida que desenvolvem planos cirúrgicos e cuidados médicos à medida que aprendem sobre casos complexos. Em particular, modelos 3D podem desempenhar um papel importante no campo da cardiologia, onde ocorrem doenças cardíacas congênitas complexas. Embora muitas impressoras 3D possam fornecer modelos anatomicamente corretos e detalhados, os materiais de impressão 3D existentes não replicam as propriedades do tecido miocárdio e podem ser extremamente caros. Este protocolo visa desenvolver um processo para a criação de modelos específicos do paciente de defeitos cardíacos congênitos complexos usando um silicone de baixo custo que mais se iguala às propriedades musculares cardíacas. Com melhor fidelidade do modelo, o treinamento processual cirúrgico real pode ocorrer antes do procedimento. A criação bem sucedida de modelos cardíacos começa com a segmentação de imagens radiológicas para gerar uma poça de sangue virtual (sangue que enche as câmaras do coração) e mofo de tecido miocárdico. A poça sanguínea e o molde do miocárdio são impressos em 3D em estireno de butadieno acrilonitrilo (ABS), uma dissolução plástica em acetona. O molde é montado ao redor da poça de sangue, criando um espaço negativo simulando o miocárdio. O silicone com uma dureza da costa de 2A é derramado no espaço negativo e permitido a cura. O molde do miocárdio é removido, e o modelo restante de silicone/poça sanguínea está submerso em acetona. O processo descrito resulta em um modelo físico no qual todas as características cardíacas, incluindo defeitos intra-cardíacos, são representadas com propriedades teciduais mais realistas e são mais próximas do que uma abordagem de impressão 3D direta. A correção cirúrgica bem sucedida de um modelo com defeito septal ventricular (VSD) utilizando um patch GORE-TEX (intervenção cirúrgica padrão para defeito) demonstra a utilidade do método.
Introduction
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.
Protocol
O protocolo foi preenchido de forma correspondente às melhores práticas éticas da instituição do autor, incluindo o manejo adequado de quaisquer informações do paciente e a garantia dos consentimentos necessários para o uso de dados específicos do paciente. Quando utilizados, tais dados foram anonimizados para garantir a proteção das informações privadas de saúde do paciente.
NOTA: O protocolo a seguir é escrito de forma neutra em termos de software, pois existem muitos programas diferentes que podem realizar as várias etapas. Para este caso específico, materializar imitações médicas 24.0 foi utilizada para segmentação, e Materializar Magics foi utilizado para manipulação 3D e criação dos modelos e casos segmentados. Instruções específicas para esses programas serão incluídas, além da abordagem generalizada.
1. Segmentar anatomia do paciente
- Por PME, obtenha um conjunto de dados de imagem radiológica do paciente, tipicamente uma Tomografia computadorizada ou ressonância magnética, adquirida utilizando um protocolo 3D para resolução adequada. Abra o conjunto de dados em um software de segmentação de design auxiliado por computador (CAD)23.
- Consulte os protocolos de radiologia da instituição para aquisição adequada de imagens (uma vez que cada paciente requer considerações diferentes, é difícil fornecer uma diretriz específica). Mas como exemplo representativo, estas são as configurações que usamos em um caso de modelo 3D previamente documentado: o protocolo CT 3D sugere parâmetros: scanner de fatia no modo axial, espessura de fatia e espaço entre fatias de 0,625 mm, Kv de 70, alcance smart mA de 201-227 (modo MA inteligente 226), velocidade de rotação a 0,28 ms. Protocolo MRI 3D sugerido scanner de fatias no modo axial, espessura de fatia e espaço entre fatias de 0,625 mm.
- Gere uma segmentação inicial do tecido miocárdio usando uma ferramenta limiar da unidade Hounsfield (HU) com limites superiores e inferiores definidos a valores apropriados e específicos para o conjunto de dados. Refine a seleção conforme necessário para capturar com precisão a anatomia. Recomenda-se o uso de ferramentas com as seguintes capacidades: cortar, adicionar e subtrair, crescer região, editar várias fatias e preencher cavidade. Em Mimics, clique com o botão direito do mouse na área de Gerenciador de projetos e selecione Nova Máscara. Ajuste a máscara na caixa de diálogo gerada, seja com as janelas anatômicas pré-definidas fornecidas, medições exatas de HU ou deslizando a ferramenta fornecida até que a anatomia desejada seja mascarada pela ferramenta.
- Gerar uma segmentação da poça de sangue. Utilize as etapas descritas na etapa 1.2 para conseguir isso. Em Mimics, use a janela HU anatômica pré-definida de 226 a 3071 para capturar a poça de sangue.
- Se o modelo gerado for destinado ao uso no atendimento ao paciente, consulte, radiologista ou outro especialista em matéria (PME) revisar as segmentações do modelo virtual antes de prosseguir para o próximo passo para garantir que todas as características e defeitos anatômicos sejam segmentados com precisão e estejam presentes no modelo completo.
- Gere um modelo de caixa miocárdica invertendo a segmentação do miocárdio usando uma ferramenta de preenchimento de cavidade no espaço vazio em torno da segmentação do miocárdio e subtraindo a segmentação da piscina de sangue do miocárdio invertido usando uma ferramenta de subtravado booleano. Recomenda-se o uso de uma ferramenta de preenchimento de cavidade, uma ferramenta booleana, e as segmentações de miocárdio e poça de sangue geradas anteriormente para conseguir isso. Em Mimics, Cavity Fill > Indique espaços em torno da máscara de miocárdio. Em seguida, use a ferramenta Boolean e preencha o diálogo fornecido para Menos a máscara da piscina de sangue da máscara de miocárdio.
Figura 1: Segmentação cardíaca em um software de segmentação CAD. (A) Segmentação cardíaca em software de segmentação DE CAD com os dados de imagem bruta do paciente. (B) Segmentação com renderização 3D do modelo da poça sanguínea. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Veja a renderização 3D da piscina de sangue final e segmentações de casos miocárdicos. De acordo com a sugestão e aprovação da PME, remova quaisquer vasos sanguíneos do modelo da poça sanguínea 3D que não sejam necessários para avaliação, compreensão ou reparo da anatomia alvo. Em Mimics, selecione Visualização 3D nas opções ao lado da janela de visualização (padrão na exibição inferior direita da exibição padrão de quatro painéis. Selecione a máscara de interesse no Gerente de Projetos. Para editar, selecione a ferramenta Editar máscara . No diálogo fornecido, selecione a ferramenta Laço e certifique-se de que remover seja selecionado. Isso permitirá a edição da visualização 3D real da máscara.
NOTA: A ferramenta de edição é um plano de corte infinito e removerá qualquer parte da máscara selecionada na direção Z. - Gerar objetos 3D da piscina de sangue final e segmentações de casos miocárdicos. Suavize o modelo de caixa do miocárdio 3D usando uma ferramenta de objeto liso. De acordo com a sugestão e aprovação da PME, ajuste a iteração e os parâmetros de fator suaves conforme necessário para que o modelo específico crie um modelo de caso o mais suave possível, mas que não tenha perdido nenhum detalhe anatômico importante.
- Uma vez aprovado por uma PME, exporte os modelos em formato STL para uso em um software de edição de modelo 3D. Em Mimics, clique com o botão direito do mouse em uma máscara específica no Gerenciador de projetos > Criar objeto. No diálogo fornecido, certifique-se de que a configuração Ideal está selecionada e clique em Ok.
- Uma vez que o modelo é criado, ele aparecerá na janela Objeto , normalmente abaixo da janela Project Manager . A partir daí, clique com o botão direito do mouse em um modelo gerado e selecione Smooth. Os parâmetros para este caso foram cinco iterações com suavização de 0,4 mm.
- Salve/exporte a última poça de sangue 3D e os modelos de caixa do miocárdio como arquivos padrão de tessellation language (STL). Clique com o botão direito do modelo > STL+ > siga o diálogo fornecido para exportar uma versão STL do modelo.
2. Crie os moldes digitais
- Abra o arquivo STL modelo de caso miocárdio em um programa CAD. Recomenda-se tornar a visibilidade do caso de forma transparente para permitir que o miocárdio seja visível no interior do molde da caixa do miocárdio. Em Magics, importe as STLs geradas através da Parte de Importação. Na janela Gerenciamento de projetos , selecione a opção Transparente de renderização do modelo.
- Corte o material do estojo do miocárdio em excesso do modelo usando uma ferramenta de corte ou perfuração. Só é necessário ter aproximadamente 0,5 cm entre a borda externa da caixa e a impressão miocárdio na parede interna da caixa. Material adicional adicionará ao tempo necessário à impressão 3D, mas não afetará o produto final. Em Magics, o Cut > indicar > de pontos de interesse selecionados > Aplicar.
NOTA: A ferramenta de edição é um plano de corte infinito e removerá qualquer parte da máscara selecionada na direção Z. - Corte a caixa do miocárdio em vários pedaços que permitirão que a caixa seja montada em torno da complexa anatomia do molde da poça sanguínea. Recomenda-se usar uma ferramenta de corte e/ou perfuração para conseguir isso.
NOTA: As etapas a seguir fornecem uma sugestão de cortes a serem aplicados no caso do miocárdio que irá dividi-lo em quatro seções que foram consideradas suficientes tanto para a precisão diagnóstica quanto para a montagem de casos ao redor da piscina de sangue para muitos modelos cardíacos. No entanto, cada modelo será diferente, tornando vital ter em mente que o caso deve ser montado ao redor da poça de sangue antes que o silicone seja derramado e removido após os conjuntos de silicone. Preste atenção especial a todos os locais onde o caso deve passar por uma alça na poça de sangue ou cercar vasos sanguíneos longos. Características como essas podem exigir que a caixa do miocárdio seja cortada em pedaços adicionais na região onde o recurso existe para garantir que a montagem e a desmontagem ao redor da poça sanguínea sejam possíveis. - Ajuste a visão da caixa do miocárdio através de ferramentas de rotação e panorâmica para apontar o ápice do coração para baixo e o arco da aorta horizontal. Faça um corte horizontal através da aorta que divide a caixa do miocárdio em uma metade inferior que contém o ápice e uma metade superior. O comprimento deste corte e todos os cortes subsequentes variam com cada modelo cardíaco. Em Magics, use os botões do mouse esquerdo e direito para controlar a rotação e o panorâm e o melhor, respectivamente. A partir daí, corte > indicar Polyline > selecionar pontos de interesse > aplicar.
NOTA: A ferramenta de edição é um plano de corte infinito e removerá qualquer parte da máscara selecionada na direção Z.- Faça um corte vertical ao longo da seção mais larga da metade inferior da caixa do miocárdio. Certifique-se de que a metade inferior da caixa do miocárdio está dividida aproximadamente ao meio.
- Faça um segundo corte vertical ao longo da seção mais larga da metade superior da caixa do miocárdio. Certifique-se de que a metade superior da caixa do miocárdio está dividida aproximadamente ao meio.
- Adicione pinos (adereços) às peças da caixa do miocárdio para garantir o alinhamento adequado durante a montagem. Recomenda-se o uso de uma ferramenta de geração de adereços e uma ferramenta de subtração booleana com um valor de liberação de 0,25 mm para criar adereços correspondentes e cavidades de adereços. Em Magics, adicione adereços > indicar posição no modelo > Aplicar.
- Crie um orifício de preenchimento de silicone de 1,0 cm de diâmetro para uma das metades superiores da caixa do miocárdio. As características da superfície do miocárdio diretamente abaixo do orifício de enchimento serão obscurecidas, de modo a garantir que o orifício de preenchimento não esteja sobre quaisquer características anatômicas externas que serão vitais para o uso do modelo. Verifique a colocação do orifício com uma PME.
Figura 2: Modelo de caso miocárdio em um software CAD. Caso miocárdio gerado em um software CAD para um caso cardíaco com um VSD. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Verifique os diagnósticos em todas as peças de caso individualmente para garantir que os seguintes erros não estejam presentes: normal invertido, bordas ruins, contornos ruins, bordas próximas a ruins, orifícios de planar ou conchas. Se um erro for detectado, repare-o usando uma ferramenta/assistente de fixação, se disponível ou manualmente, se não estiver disponível. Em Magics, verifique diagnósticos > auto-resolução.
- Corrigir erros que não podem ser resolvidos manualmente ou com uma ferramenta/assistente de fixação com um envoltório de envoltório de parte shrink através de uma ferramenta de envoltório de envoltório de encolhimento. Ajuste o intervalo da amostra de envoltório e os valores de preenchimento de lacunas conforme necessário para corrigir os erros na peça específica sem alterar a fisiologia após a revisão da PME. Em Magics, Fix > Shrink Wrap > acompanhar o diálogo.
- Salvar/exportar as peças individuais do caso do miocárdio como arquivos STL.
3. Crie os moldes físicos
- Abra os modelos de caixa do miocárdio e poça de sangue no software cortador apropriado para produzir arquivos de impressão 3D (arquivo G-Code) para uma impressora 3D de fabricação aditiva (AM). Organize as peças da caixa do miocárdio usando uma ferramenta plana rotatina e/ou fixa, de modo que qualquer lado que se encontre com outra peça de caixa é vertical. Adicione suportes de impressão 3D a todas as peças manualmente ou usando uma ferramenta automática de geração de suporte fornecida no software, se disponível.
Figura 3: Configuração de caixa de miocárdio e poça de sangue em um software CAD de impressão 3D. Caso miocárdio e poça de sangue com orientação adequada e suporte adicional na preparação para impressão 3D em um software CAD de impressão 3D para um caso cardíaco com um VSD. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Corte os modelos para gerar G-code para uso na impressora 3D com os seguintes parâmetros: Pool de sangue no ABS usando: temperatura do leito aquecido de 100°C, temperatura extrusora de 250°C, densidade de enchimento de 5%, velocidade de impressão padrão de 50 mm/s, velocidade interna da concha de 70 mm/s, velocidade do shell externo ou 50 mm/s; Molde miocárdio em ABS ou ácido poliláctico (PLA) utilizando: temperatura do leito aquecido de 60 °C para PLA ou 100 °C para ABS, temperatura extrusora de 205 °C para PLA ou 250 °C para ABS, densidade de enchimento de 15%, velocidade de impressão padrão de 50 mm/s, velocidade interna da concha de 80 mm/s e concha de velocidade externa de 30 mm/s.
- Salvar/exportar o código G.
- Carregue o arquivo de impressão para a impressora 3D usando uma unidade flash ou conexão Wi-fi, dependendo dos recursos da impressora, certifique-se de que o filamento correto seja carregado na impressora 3D e inicie a impressão. A impressora 3D deve atender aos seguintes requisitos: compatível e equipado com diâmetro de bocal inferior a 0,4 mm e capaz de uma resolução de camada inferior a 0,25 mm. Após a conclusão da impressão, use alicate de nariz de agulha e pinças para remover todo o material de suporte das peças impressas.
Figura 4: Peças de modelo impressos em 3D. Fotografia de (A) poça de sangue físico e (B) pedaços de caixa miocárdio de um caso cardíaco com um VSD produzido a partir da impressora 3D com material de suporte removido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- 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 na peça de molde da caixa usando uma ferramenta de lixamento rotativo portátil para remover o material. Se for necessário um grande ajuste, pode ser necessário editar o arquivo STL em um software CAD e criar uma nova impressão 3D.
ATENÇÃO: Use proteção ocular ao usar uma ferramenta de lixamento rotativo portátil. O uso de uma ferramenta de lixamento rotativo na poça de sangue ou na caixa do miocárdio fará com que o plástico derreta. Use com moderação e com cautela.
NOTA: O protocolo pode ser pausado entre quaisquer etapas anteriores a este ponto. - Realize um vapor de acetona suave se a caixa do miocárdio estiver impressa em 3D usando ABS, e um acabamento mais suave da superfície de silicone é desejado pela PME. Se um acabamento de superfície mais suave não for desejado ou necessário, pule o processo suave de vapor com efeito mínimo para a anatomia final do modelo.
ATENÇÃO: A acetona é volátil e inflamável. Certifique-se de se estabelecer em uma área bem ventilada longe de chamas abertas ou faíscas. Além disso, a acetona dissolverá o cloreto de polivinil (PVC) e o poliestireno. Se um recipiente plástico estiver sendo usado, certifique-se de que não contenha PVC ou poliestireno.- Fore a parte inferior e lateral de um recipiente que não será afetado pela acetona com toalhas de papel. Despeje a acetona na toalha de papel inferior e deixe que ela difunda as toalhas de papel na lateral do recipiente, mas não forme uma piscina na parte inferior. A quantidade de acetona necessária variará dependendo do tamanho do recipiente utilizado; aqui, 30 mL de acetona foi usado em um recipiente com um volume base de aproximadamente 400 cm3.
- Coloque um pedaço de papel alumínio no recipiente para cobrir a toalha de papel inferior. Coloque as peças da caixa do miocárdio sobre a folha de alumínio e oriente as peças do miocárdio para que os rostos desejados para serem suavizadas sejam verticais. Certifique-se de que as peças do miocárdio não estão se tocando ou as toalhas de papel na parede do recipiente.
- Coloque uma tampa no recipiente ou cubra com papel alumínio e deixe que as peças da caixa do miocárdio permaneçam intactas no recipiente até que ~80% do acabamento de superfície desejado seja alcançado, por inspeção visual. O tempo necessário para completar o processo de vapor suave vai variar dependendo do tamanho do recipiente e da quantidade de acetona utilizada. Comece a verificar as peças da caixa do miocárdio para o acabamento da superfície desejado em intervalos de 15 minutos após um inicial de 30 minutos. Para este estudo, a suavização de vapor levou 2 h para uma estrutura de 150 mL.
- Usando luvas, remova cuidadosamente as peças da caixa do miocárdio do recipiente tocando apenas as superfícies externas. Deixe as peças desapronedas completamente em uma área bem ventilada por ~30 min, ou até ficar lisa, seca e dura.
Figura 5: Vapor suavizado peças de caixa do miocárdio. Fotografia de casos miocárdios pedaços de um caso cardíaco com um VSD após um vapor de acetona suave. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Despeje silicone
NOTA: Alguns contaminantes, incluindo látex e enxofre, podem inibir a cura de silicones se entrarem em contato. É aconselhável revisar quaisquer boletins técnicos antes de tentar usar silicone.
- Estimar a quantidade de silicone de cura de platina em duas partes que será necessário para criar o modelo miocárdio; a quantidade de silicone necessária vai variar dependendo do tamanho do modelo que está sendo criado. Alternativamente, meça o volume da segmentação do miocárdio usando um software CAD para determinar a quantidade de silicone necessária. Certifique-se de que o silicone possui as seguintes propriedades: dureza da costa de 2 A, resistência à tração de 1.986 kPa, alongamento ao intervalo de 763%, encolhimento inferior a 0,0254 mm/mm, viscosidade mista de 18.000 cps, vida útil do pote de 12 min, e tempo de cura de 40 min. Este estudo exigiu 300 mL de silicone.
- Agitar completamente a parte A e a parte B do silicone antes de despejar as quantidades necessárias, nas proporções corretas, em um copo de mistura. Se a cor for desejada no modelo, adicione pigmento e misture todas as partes e pigmentos bem. Para este estudo, 150 mL da parte A e parte B foram misturados e agitados à mão ou com um agitador. Um "sangue" de cor do produto sil-pigmento (ver Tabela de Materiais) foi adicionado por vara artesanal até que a cor desejada fosse alcançada.
- Coloque o silicone completamente misturado em uma câmara de vácuo a 29 em Hg por 2-3 min para desa gás. O silicone se expandirá durante o processo de desagasto para aproximadamente o dobro do seu volume, certifique-se de que o recipiente de mistura tenha espaço suficiente para permitir a expansão. Vente e remova o silicone desafosado da câmara e submerse a poça de sangue no silicone para cobri-lo completamente, garantindo que todos os vazios e cavidades na poça sanguínea estejam preenchidos com silicone.
- Pulverize minuciosamente todos os pedaços da caixa do miocárdio com um produto de liberação fácil (ver Tabela de Materiais) em uma área bem ventilada. Monte a metade inferior da caixa do miocárdio ao redor do ápice da poça sanguínea. Se alguma costura entre as peças da caixa do miocárdio permitir que o silicone vaze, use grampos ou um material como cola quente ou argila para selar o vazamento na superfície externa do molde.
- Despeje silicone no espaço entre a poça de sangue e a parede da caixa, permitindo que o silicone flua em todas as lacunas. Continue derramando silicone até que os pedaços montados do molde do miocárdio sejam preenchidos com silicone.
- Monte as peças restantes da caixa do miocárdio, segure as peças da caixa firmemente usando elásticos e grampos, conforme necessário. Despeje silicone no porão na parte superior da caixa do miocárdio até que todo o espaço do miocárdio esteja cheio de silicone.
- Deixe o silicone definir por ~ 40 min. Remova o coração de silicone da caixa do miocárdio e corte todas as costuras de silicone que foram criadas a partir do espaço entre as peças da caixa ou o orifício de enchimento.
5. Dissolver a poça de sangue
- Identifique todos os vasos sanguíneos que devem ter extremidades abertas no modelo de silicone e corte qualquer silicone que os esteja cobrindo para expor a poça de sangue ABS dentro.
- Submergir o coração de silicone em um banho de acetona. O ABS começará a suavizar 10-15 min após a submersão de acetona; à medida que isso ocorre, remova grandes pedaços de ABS com pinças para aumentar a velocidade do processo de dissolução do ABS.
- Realize de duas a três enxaguadas/molhos adicionais de acetona com acetona limpa para remover todo o ABS do silicone quando a maioria da poça sanguínea ABS tiver dissolvido. Remova o modelo cardíaco do banho de acetona e permita que a acetona restante evapore do modelo em uma área bem ventilada. O tempo necessário para dissolver totalmente o ABS dependerá do tamanho do modelo, da quantidade de ABS removido manualmente e da quantidade de acetona utilizada.
Figura 6: Modelo cardíaco de silicone específico do paciente com VSD. Fotografia de uma visão de superfície epicárida de modelo completo de silicone com um VSD. O VSD não é visível devido à sua localização dentro da estrutura do miocárdio intra-cardíaco. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Representative Results
Dados de imagem radiológica de um paciente com VSD foram escolhidos para gerar um modelo cardíaco representativo de silicone. A anatomia do paciente foi segmentada utilizando um software de segmentação CAD para gerar um modelo de miocárdio digital e um modelo de poça de sangue digital (Figura 1). A segmentação manual da poça sanguínea e do miocárdio com o protocolo apresentado leva de 1 a 3 h para ser concluída. Após a conclusão da segmentação, o modelo miocárdio foi aberto em software CAD para posterior processamento. O modelo foi alinhado a uma caixa 3D feita dentro do programa e, em seguida, subtraído usando operações booleanas. Esse processo deixou um negativo do modelo miocárdio, formando um molde. Este molde do miocárdio foi aparado a um tamanho mais adequado, cortado em segmentos e modificado com adereços para alinhar as peças (Figura 2). A criação do caso levou de 2-6 h. Todas as peças de molde do miocárdio e a poça de sangue foram carregadas em um software de corte de impressão 3D, e o G-Code foi gerado para impressão 3D em ABS (Figura 3). As peças impressas em 3D com material de suporte removido podem ser vistas na Figura 4. As peças da caixa do miocárdio foram suavizadas para melhorar o acabamento superficial do modelo (Figura 5). Após a conclusão do processo de vapor suave, o molde foi montado em torno do modelo da piscina de sangue, e o silicone foi derramado. A montagem e o derramamento de silicone levaram uma hora. Após o conjunto de silicone, o modelo cardíaco foi removido da caixa do miocárdio e submerso em acetona para dissolver a poça sanguínea. Após aproximadamente 24 horas de imersão, a poça de sangue se dissolveu. Uma lavagem final de acetona foi realizada, e o modelo foi autorizado a secar totalmente. O modelo cardíaco de silicone completo pode ser visto na Figura 6. Para avaliar a precisão e funcionalidade do modelo de silicone, uma incisão foi feita pelo especialista em CHD (defeito cardíaco congênito) para permitir que a anatomia interna seja observada. O VSD esperado estava presente, e um patch GORE-TEX foi costurado no modelo pelo cirurgião cardíaco congênito para corrigir o VSD (Figura 7). Em um modelo de silicone com sucesso, todas as anatomias e defeitos do paciente estarão presentes externamente e internamente. Um resumo do protocolo pode ser visto no Arquivo Complementar 1.
Figura 7: Patch GORE-TEX costurado em modelo cardíaco de silicone com VSD. Fotografia da visão (A) do cirurgião de um modelo cardíaco de silicone específico do paciente com uma visão vsd e (B) do cirurgião do VSD no modelo fechado com um patch GORE-TEX. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo suplementar 1: Esquema do protocolo de fabricação do coração de silicone. Ilustração esquemática do protocolo na fabricação de um modelo cardíaco de silicone específico do paciente. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo suplementar 2: Resumo de etapas críticas e potenciais resultados negativos. Resumo das etapas críticas no desenvolvimento de um modelo cardíaco de silicone específico do paciente e os potenciais desfechos negativos que podem resultar se as etapas não forem seguidas corretamente. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Discussion
Após a conclusão do protocolo, deve resultar um modelo cardíaco de silicone específico do paciente para preparação cirúrgica. No entanto, existem várias etapas críticas que devem ser concluídas corretamente para que isso seja alcançado. Um resumo das etapas críticas do protocolo pode ser visto no Arquivo Suplementar 2, bem como resultados potenciais se as etapas não forem executadas corretamente. O primeiro passo crítico envolve a segmentação dos dados de imagem radiológica do paciente. Esta etapa requer a aquisição de um conjunto de dados de imagem 3D diagnóstico. A utilidade do modelo no planejamento pré-cirúrgico ou educação depende da qualidade do conjunto de dados 3D. Recomenda-se a utilização de um conjunto de imagens coletados com um tamanho de fatia entre 0,625 mm e 2,6 mm para garantir que o conjunto de dados será de resolução adequada para a produção do modelo. No entanto, todos os parâmetros de imagem devem ser definidos por um médico especialista em radiologia, sendo o atendimento ao paciente a prioridade. Deve-se notar que pode ser possível produzir um modelo a partir de um conjunto de imagem coletado com um tamanho de fatia fora dos valores recomendados, mas a resolução e a qualidade do modelo serão impactadas negativamente. Após a obtenção das imagens, se a segmentação não for realizada corretamente, ela não é comumente realizada até que o modelo final seja produzido e cortado, resultando em perda de tempo e materiais. Para evitar esse resultado negativo, recomenda-se que um especialista em assuntos revise os arquivos segmentados antes de criar os moldes digitais para controle de qualidade. O próximo passo crítico ocorre durante a criação dos moldes digitais. É importante garantir que o caso do miocárdio possa ser montado ao redor do modelo da poça sanguínea. Se o caso não fechar ao redor da poça sanguínea, ele não pode ser usado para criar o modelo de silicone, pois o silicone não definido irá vazar continuamente, e a anatomia pode ser distorcida. Uma ferramenta de lixamento rotativo portátil pode ser usada para remover levemente pedaços do molde do miocárdio somente se pequenos ajustes forem necessários. Se forem necessários grandes ajustes, o molde digital precisará ser alterado e uma caixa atualizada impressa. O último passo crítico é o derramamento do silicone. A adesão rigorosa às instruções materiais é necessária ao usar o silicone, pois a falha em fazê-lo pode resultar em silicone que cura com uma superfície brega. Se a superfície for considerada muito brega para uso pela PME, a poça de sangue pode ter que ser reimpressa se não puder ser removida com sucesso do silicone. O silicone terá que ser re-derramado, resultando em perda de tempo e materiais. Se for usado silicone insuficiente ou o silicone vazar do molde da caixa do miocárdio durante o processo de ajuste, o modelo resultante estará incompleto. Esta falha pode ser remediada misturando e despejando silicone adicional no molde. Um material como cola quente ou argila pode ser usado para selar as costuras do molde da caixa do miocárdio se uma pequena quantidade de silicone parece estar vazando durante o processo de cura.
Este método de criação de modelos cardíacos de silicone específicos do paciente pode ser modificado para permitir a criação de um modelo de qualquer estrutura anatômica macia com geometria interna e externa específica do paciente ou complexa. Supondo que a anatomia alvo seja segmentada corretamente, as etapas restantes do protocolo poderiam ser seguidas com mudança mínima. Embora não seja o foco do trabalho atual, o protocolo foi aplicado ao parênquim hepático com sucesso semelhante. O material de impressão 3D utilizado também pode ser modificado. ABS e PLA são recomendados para uso devido ao seu baixo custo, mas qualquer material de impressão 3D dissolvido pode tomar o lugar de ABS, e qualquer material de impressão 3D desejável pode tomar o lugar de PLA com mínima ou nenhuma alteração no protocolo. Todos os parâmetros de impressão especificados pelo fabricante de filamentos devem ser seguidos ao usar outros materiais de impressão. Este método pode ser modificado ainda pelo uso de um silicone diferente. O silicone recomendado para uso neste protocolo tem uma dureza de 2 A, mas se outro valor de dureza da costa é desejável, um silicone diferente pode ser substituído com mínima ou nenhuma alteração no protocolo. Certifique-se de aderir a todas as especificações e procedimentos de fabricação ao usar um produto de silicone diferente.
Embora este protocolo delineie um procedimento de modelagem cardíaca melhorado, não é sem limitações. A maior limitação deste protocolo é que, embora o silicone de cura de platina utilizado esteja mais próximo da dureza do tecido cardíaco do que outros materiais disponíveis, a dureza não é a única propriedade que desempenha um papel na habilidade motora fina do treinamento cirúrgico. Em particular, o tecido cardíaco real demonstrará fribilidade ou rasgar sob força. O silicone utilizado é muito elástico, com alongamento na quebra de 763% e resistência à tração de 1.986 kPa19. O tecido cardíaco suíno, que acredita-se ser uma representação precisa do tecido cardíaco humano, tem um alongamento ao rompimento de 28-66% e força de tração de 40-59 kPa26. Essa diferença apresenta um problema, pois os companheiros cirúrgicos cardíacos podem realizar uma operação prática em um coração modelo de silicone e ganhar uma falsa sensação de confiança, pois o modelo pode suportar forças que o tecido cardíaco real não pode. Essa metodologia também tem o potencial de ser limitada por um modelo cardíaco com geometria muito complexa. À medida que a complexidade anatômica do modelo aumenta, o protocolo pode compensar aumentando o número de peças no molde do miocárdio. Essencialmente, modelos cada vez mais complexos exigirão projetos de moldes cada vez mais complexos e maior tempo de design.
O processo de criação do modelo descrito neste protocolo é superior a muitas das outras alternativas disponíveis devido à sua capacidade de recriar réplicas anatômicas exatas de baixo custo da anatomia cirurgicamente encontrada. Tecido cadavérico e animal permite simulações de alta fidelidade, mas eles têm um custo muito maior e exigem configurações laboratoriais específicas para serem utilizadas e mantidas2,6. Além disso, modelos cadavéricos e de tecido animal têm preocupações éticas, não são específicos do paciente, e o CHD complexo muitas vezes deve ser fabricado manualmente por um cirurgião ou instrutor, muitas vezes levando a imprecisões ou danos aos tecidos e órgãos circundantes. Outra técnica de modelagem em potencial envolve o uso da realidade virtual. A realidade virtual permite a replicação digital de modelos cardíacos específicos do paciente, que é uma ferramenta eficaz para estabelecer representações mentais precisas da anatomia do paciente e planos cirúrgicos. Além disso, alguns sistemas VR permitiram simulações básicas com a incorporação de feedback háptico. No entanto, o feedback háptico disponível não tem o realismo necessário para replicar as habilidades motoras finas necessárias para procedimentos cirúrgicos cardíacos congênitos4. A impressão 3D é outro método disponível para produzir modelos cardíacos específicos do paciente2,24. No entanto, a implementação generalizada de impressoras 3D de alta fidelidade capazes de produzir modelos macios multimaterial são inibidas pelo seu custo extremamente alto11,14,15. Impressoras 3D de baixo custo estão disponíveis, mas só podem imprimir em materiais muito mais firmes que o miocárdio real. Quando um dos materiais mais macios disponíveis para uma impressora 3D foi usado para criar um modelo por Scanlan et al., o modelo foi encontrado mais firme do que tecido cardíaco real17. O material descrito tinha uma dureza de costa entre 26 A e 28 A, dando-lhe uma textura semelhante a um elástico. O silicone curado de platina usado neste protocolo tem uma dureza de 2 A, dando-lhe uma textura semelhante a uma inserção de sapato gel e muito mais perto da dureza de tecidos cardíacos reais, que é de 43 0020 ou ~0 A. Hoashi et al. também utilizou um método semelhante ao descrito neste protocolo para desenvolver um modelo cardíaco impresso 3D flexível. Dois moldes, representando a geometria interna e externa do miocárdio, foram impressos em 3D utilizando uma impressora SLA seguido de fundição a vácuo de uma resina de poliuretano em forma de borracha. Embora este método tenha produzido um modelo cardíaco macio, o custo de produção proposto deste método por modelo foi de 2.000 a 3.000 USD22. Comparativamente, o custo total do material do método descrito no protocolo apresentado é inferior a 10 USD. Finalmente, um método semelhante também foi usado por Russo et al. para criar modelos de silicone da válvula aórtica e aorta proximal para a prática processual. Enquanto o Russo et al. o método é focado em um objetivo semelhante, seu processo apresentado destinado a replicar anatomias muito mais simples das válvulas aorta ou aórtica. O protocolo aqui apresentado se diferencia focando em anatomias intra-cardíacas e miocárdias menores, mais complexas, e seriam extremamente difíceis de replicar dadas as metodologias históricas. Apesar dessa diferença, os modelos criados por Russo et al. foram altamente úteis para simulação e treinamento em cirurgia cardíaca por cirurgiões cardíacos pesquisados23. Essencialmente, o método descrito neste protocolo permite a criação de modelos cardíacos congênitos complexos e específicos do paciente com defeitos e propriedades materiais representados com precisão mais semelhantes ao tecido cardíaco real do que outros métodos de modelagem1,16, permitindo que os modelos sejam operados com uma fidelidade háptica realista.
Seguindo em frente, essa metodologia poderia ser aplicada à formação de um modelo de qualquer anatomia do paciente com características internas e externas complexas. Desenvolver um material alternativo de poça sanguínea que poderia ser removido de dentro do modelo de silicone de forma menos destrutiva ou produzido usando um método menos demorado tornaria o processo mais demorado e econômico. Como resultado, uma nova poça de sangue não teria que ser reproduzida para cada processo de moldagem subsequente, levando à escalabilidade do treinamento associado. As propriedades físicas do silicone usado para criar o modelo também poderiam ser melhoradas. O silicone com menos alongamento no intervalo aumentaria o realismo do modelo e ajudaria a melhorar seu valor como ferramenta educacional para os companheiros cirúrgicos cardíacos que tentam aprender as habilidades motoras finas necessárias para a realização desses procedimentos complexos. Um grupo de materiais atualmente no mercado dignos de consideração para ajudar nesta solução são materiais de vidro simulados de silicone25. Estes materiais de silicone demonstram muito menos alongamento no intervalo, levando a uma distinta "quebra" após a aplicação da força de uma maneira semelhante ao vidro. A modulação do silicone de cura de platina usado neste protocolo com adições deste material de vidro simulado de silicone pode permitir o controle das características de fribilidade do modelo, mantendo ainda a dureza adequada da costa, melhorando a fidelidade sáptica geral. Finalmente, a resolução de anatomia que este protocolo pode produzir é limitada pela resolução da impressora 3D utilizada para gerar os moldes. À medida que a tecnologia continua a melhorar, a resolução de anatomia que pode ser criada com este protocolo também deve melhorar.
Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores gostariam de reconhecer a OSF HealthCare por tornar este estudo possível, bem como o Dr. Mark Plunkett por seu conhecimento processual e aplicação de habilidades ao nosso produto final.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1.75 mm ABS filament | Matter Hacker | matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG- | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
| 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 |
| 8220 12VMax High-Performance Cordless | Dremel | https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless | Cordless for easier access to small features in model |
| Acetone | Sunnyside | https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5 | Bulk |
| Dragon Skin Fx-Pro | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro | Industry-standard, characterized skin-safe |
| Ease Release 200 | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/ease-release-200 | Coating to ensure easy removal of silicone from mold |
| GORE- TEX patch | GORE | https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch | Cardiovascular patch |
| ideaMaker | Raise 3D | https://www.raise3d.com/download/ | Included G-code CAD software for Raise 3D printers |
| Magics | Materilise | https://www.materialise.com/en/software/magics | Feature-rich CAD software capeable of manipulating organic surfaces |
| Mimics | Materilise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics | Feature-rich segmentation software |
| Patient DICOM data | - | - | DICOM data will typically come from a patient CT or MRI |
| Pro2 Plus | Raise 3D | https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/ | Anecdotallay reliable, dual extrusion FDM 3D printer |
| PRO2-100 Industrial Glue Gun | Surebonder | https://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticks | Industrial-quality hot glue gun |
| Silc Pig | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments | Pigment for adding color to silicone |
| Vacuum Chamber | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber | Anecdotally reliable vacumm chamber for removing air bubbles from mixed silicone |
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