Cómo la impresión 3D podría ayudar a dar forma a la cirugía

Los órganos del cuerpo impresos en 3D como este lóbulo hepático, que se muestra junto al lóbulo de carne y hueso, pueden ayudar a los médicos a planificar y practicar cirugías como los trasplantes.Referencia nn zein et al., "impresión tridimensional de un hígado para la planificación preoperatoria en un trasplante de hígado de donante vivo" transplante de hígado, 19:1304-10, 2013. © 2013 American Association for the Study of Liver Diseases

Lo que ve en la imagen de arriba es un lóbulo de hígado, multiplicado por dos: a la derecha, uno de carne y hueso, extraído de un donante de trasplante, y en el a la izquierda, uno creado a partir de plástico para representar conductos biliares, arterias y venas, colocado, capa por capa, por una impresora 3-D. El objetivo de dicha tecnología: ayudar a los cirujanos a planificar y practicar procedimientos complejos y capacitar a nuevos cirujanos con simuladores que respondan como lo haría un paciente.

Los cirujanos navegan por terrenos anatómicos complejos mientras manipulan el bisturí y la sutura para cortar y suturar con precisión y rápidamente….

Pero cada vez más recurren a modelos tridimensionales realistas que son específicos para pacientes individuales.

Dichos modelos ya se utilizan para educar a los pacientes, para hacer formación y para planificar y practicar procedimientos especialmente difíciles. Pero en el futuro, los modelos 3D, ya sean físicos o virtuales, podrían convertirse en herramientas de rutina para entrenar a los cirujanos o mapear procedimientos con anticipación.

De 2D a 3D

Para imprimir en 3D, los investigadores primero combinan los muchos cortes digitales 2D sucesivos de tomografías computarizadas o resonancias magnéticas en un mapa topográfico que resalta las estructuras complejas en diferentes niveles del órgano. Luego, las impresoras construyen los modelos, capa por capa, a veces usando un chorro de tinta para depositar gotas de resina que se fijan en su lugar mediante la luz ultravioleta brillante o mediante la extrusión de cintas de polímero que se endurecen una vez que se sueltan.

La tecnología fue la primera desarrollado en la década de 1980, cuando tales impresoras eran costosas y temperamentales y los materiales eran limitados. Pero en los últimos años, los avances lo han hecho asequible incluso para los usuarios domésticos, y las mejoras en el software y los métodos de impresión han permitido a los científicos e ingenieros imprimir mezclas complejas de colores y texturas con gran precisión, creando así modelos de órganos mucho más precisos y realistas. , como se describe en una descripción general de la Revisión anual de química analítica de 2018.

Este riñón artificial con un tumor se creó en un molde impreso en 3D. Los hidrogeles movidos que se vierten en el molde le dan al órgano resultante propiedades realistas del músculo, la grasa u otros tejidos. aDAM FENSTER, UNIVERSIDAD DE ROCHESTER

El gastroenterólogo de la Clínica Cleveland, Nizar Zein, consideró por primera vez la idea de imprimir modelos de órganos en 2012 después de leer sobre personas que construyen casas. con impresoras 3-D y los usos potenciales de la tecnología en la exploración espacial. Se preguntó si el método podría hacer más seguros los trasplantes de hígado de donantes vivos.

Cada hígado tiene una red única y compleja de arterias, venas y conductos biliares, y un corte fuera de lugar puede provocar complicaciones, incluso la muerte, en donante o receptor. Entonces, Zein reunió a un equipo de médicos, expertos en imágenes, ingenieros y diseñadores de software para producir un hígado impreso específico para cada paciente a partir de resina para guiar el proceso quirúrgico.

El primer prototipo era tosco, realmente como un niño jugando con Play. -Doh, recuerda Zein. Menos de las tres cuartas partes del tamaño natural, no era completamente transparente y carecía de códigos de color para diferentes tipos de tejido. Pero fue lo suficientemente prometedor como para mostrárselo a colegas quirúrgicos mientras discutían un caso de alto perfil en el que un donante de hígado sufrió una complicación peligrosa en la mesa de operaciones. Uno de esos cirujanos, recuerda Zein, dijo que tal modelo podría haber salvado al donante.

Zein perfeccionó el modelo y en 2013 comenzó a estudiar cómo un modelo de hígado tridimensional de tamaño real, además de Las exploraciones en 2D cambiarían la forma en que los cirujanos planifican las operaciones. Un pequeño estudio inicial mostró que sus modelos coincidían con los órganos vivos tanto en anatomía como en forma. Los modelos de Zein y sus equipos se han utilizado en más de 20 cirugías. En muchos casos, mirar el modelo hizo que los cirujanos cambiaran la forma en que cortaban el órgano, dice Zein, y en un caso los llevó a concluir que el donante no era adecuado.

El equipo de Zein pasó a imprima modelos tridimensionales de tumores hepáticos complejos para comprender cómo están conectados al órgano y, por lo tanto, informar la planificación quirúrgica. Cuanto más sepamos de antemano sobre la anatomía y las estructuras de los pacientes, mejor será la cirugía, dice Zein.

Modelos blandos que sangran

Los modelos de órganos también pueden ayudar a entrenar a los médicos. El urólogo Ahmed Ghazi de la Universidad de Rochester se inspiró para construir modelos de riñón realistas que proporcionarían una forma inmersiva de simular cirugías. Solo quería algo que se pareciera a un riñón que sangra, dice. Los cirujanos renales a menudo se enfrentan a la extirpación de tumores de un órgano plagado de vasos sanguíneos, y pueden tener solo 30 minutos para completar su trabajo antes de que el tejido renal, bloqueado de la sangre circulante, comience a morir.

Algunos modelos de órganos artificiales (a la derecha ) están construidos para que sangren, como lo haría el órgano real durante la cirugía (izquierda). Esta operación fue para extirpar un tumor renal.AHMED GHAZI

Para construir un modelo de riñón, el equipo de Ghazis colocó capas de grasa, intestinos y otros tejidos simulados en una cavidad similar al abdomen, tal como estarían situados dentro de un paciente. El cirujano puede realizar el procedimiento desde el principio hasta el final, dice Ghazi. Él y sus colegas han creado modelos generales para la enseñanza, así como modelos a partir de escaneos de pacientes individuales para simular cirugías específicas. Ghazi ha probado este sistema con cinco cirujanos expertos y 10 novatos en un procedimiento común pero desafiante para romper cálculos renales grandes. Los expertos encontraron el modelo muy realista y los novatos acordaron por unanimidad que sería útil practicar con estos modelos antes de la cirugía.

La experta en imágenes biomédicas Nicole Wake, ahora en el Colegio de Medicina Albert Einstein en la ciudad de Nueva York, también ha analizado cómo los modelos de riñón afectan la planificación de la cirugía. En un estudio de 2017, ella y sus colegas pidieron a tres cirujanos experimentados que revisaran 10 cirugías renales complejas diferentes. Primero revisaron imágenes bidimensionales de los pacientes y describieron su plan quirúrgico. Una semana o más después, repitieron el ejercicio con un modelo tridimensional. En todos los casos, al menos uno de los cirujanos modificó su estrategia cambiando la forma en que accederían o sujetarían el órgano, por ejemplo, e informaron una mayor confianza en su plan.

Los materiales hacen el modelo

En la construcción de modelos de órganos en 3D, la elección del material depende de su uso previsto, dice Zein. El plástico duro es más barato y adecuado para la visualización tridimensional simple donde los médicos quieren concentrarse en las características visuales, como la forma de los tumores, por ejemplo, o las trayectorias curvas de los vasos sanguíneos o los conductos.

Pero los materiales más esponjosos y flexibles incluyen las siliconas, los plásticos blandos y los hidrogeles son más realistas. Su elasticidad puede imitar las propiedades mecánicas del tejido vivo, proporcionando un órgano de práctica que los cirujanos pueden abrir, midiendo el ancho y la profundidad de los cortes necesarios para limpiar los tumores y guiar las reparaciones. Los modelos más blandos también pueden incorporar otras características, como sensores de presión, que brindan a los cirujanos más información mientras se preparan.

Ghazi y sus colegas han creado una gama de modelos con textura de tejido. En lugar de imprimirlos directamente, el equipo utiliza la impresora 3D para crear una serie de moldes detallados. Luego inyectan plásticos oscilantes de hidrogel especializados que en su receta consisten en un 70 por ciento de agua que sintonizan para responder como músculos, grasa o vasos sanguíneos. Incluso incorporan fluidos para que el corte de vasos sanguíneos u otros conductos haga que los órganos sangren o se filtren como lo harían en una operación real.

El ingeniero mecánico Michael McAlpine de la Universidad de Minnesota ha producido modelos de órganos de próstatas que imitan las propiedades mecánicas de los tejidos, como herramientas de entrenamiento para los cirujanos. Su equipo usó muestras de próstatas extraídas de pacientes con cáncer para probar propiedades como la firmeza y la flexibilidad. Reprodujeron estas características ajustando los componentes químicos de las tintas de silicona para cambiar la cantidad de enlaces que hacen los polímeros entre las cadenas, lo que hace que los modelos sean más suaves o más rígidos.

Incluso han equipado los modelos de próstata con sensores impresos sensibles a la presión fabricados de hidrogeles y silicona gomosa. Los sensores pueden medir la fuerza aplicada por endoscopios o tijeras quirúrgicas, brindando a los médicos información útil antes de ingresar a la sala de operaciones.

Esta próstata impresa en 3D puede equiparse con sensores de presión que permiten a los cirujanos practicar en material con una sensación realista mientras ensayan los procedimientos.K. QIU ET AL / TECNOLOGÍAS DE MATERIALES AVANZADOS 2018

De lo físico a lo virtual

No está claro cuántos hospitales de EE. UU. están imprimiendo modelos de órganos en 3D. Sospecho que la mayoría de los hospitales medianos y grandes al menos lo están probando, dice William Weadock, radiólogo de la Universidad de Michigan y presidente del grupo de interés especial de impresión 3D de la Sociedad Radiológica de América del Norte. Los centros médicos con el equipo y la experiencia ahora pueden imprimir algunos tipos de modelos de órganos por no más de unos pocos cientos de dólares por un modelo de plástico duro. Y compañías como Lazarus 3D y Materialise ahora ofrecen producir modelos de órganos a partir de datos de imágenes.

Pero las agencias reguladoras y las compañías de seguros de salud aún se están poniendo al día con esta tecnología. Solo un paquete de software, producido por Materialise, está aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. para construir los archivos de impresión para el diagnóstico en pacientes, y el seguro no paga por tales modelos específicos de pacientes.

Los modelos de órganos impresos pueden convertirse en un trampolín hacia modelos inmersivos basados en computadora que usan realidad aumentada en la que los cirujanos usan auriculares y otras herramientas para observar y manipular representaciones en 3D. Originalmente, Ghazi había querido comenzar su trabajo de esta manera, pero pronto pasó a los modelos físicos: todavía no es posible cortar algo virtualmente con la sensación correcta, o saber cuánto podría sangrar un órgano si se corta en un lugar u otro. Por ahora, está trabajando con empresas de realidad virtual que ofrecen modelos físicos como herramientas realistas para desarrollar software de programación para cirugías virtuales.

Con el tiempo, practicar cirugías utilizando imágenes en 3D, ya sea realidad aumentada o modelos físicos impresos, podrían convertirse en la norma. en lugar de la excepción, dice McAlpine. Creo que se volverá extremadamente rutinario.

Sarah Webb es escritora científica en Chattanooga, Tennessee. Encuéntrela en línea en sarahannewebb.com o en Twitter @sarahwebb.

Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine,  un esfuerzo periodístico independiente publicado por Annual Reviews.

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