Imagina cómo era cuando se introdujeron los rayos X por primera vez. O las tomografías computarizadas y resonancias magnéticas. Piensa en lo transformadora que fue esa tecnología, dando a los médicos la capacidad de ver el interior del cuerpo de un paciente sin abrirlo. Un mundo completamente nuevo, ¿verdad?
La misma transformación ocurrió con la llegada de la impresión 3D para la cirugía. En lugar de limitarse a imágenes en una pantalla, tanto a los médicos como a los pacientes se les permitió usar herramientas físicas en 3D para comprender la información. Hoy en día, varios hospitales utilizan regularmente la tecnología para visualizar casos complejos o raros, y los resultados son notables. Los tiempos de operación pueden reducirse en horas, los resultados quirúrgicos pueden mejorarse y los pacientes se someten a una operación comprendiendo mejor la situación.
Créditos de la foto: Stratasys
Y es solo el comienzo. El número de hospitales que implementan la impresión 3D está en aumento desde hace unos años. Hay tantas aplicaciones de impresión 3D para la cirugía, desde la creación de guías quirúrgicas hasta implantes personalizados, y con el creciente interés en el campo, seguramente se desarrollarán nuevas aplicaciones. En este artículo, nos enfocamos en las herramientas para la planificación quirúrgica con el objetivo de explorar su impacto.
Cómo se utiliza la impresión 3D para la planificación quirúrgica
Existen varios tipos de herramientas impresas en 3D que se utilizan para la planificación quirúrgica. A continuación, destacaremos tres de los más comunes. Como esta tecnología aún es relativamente nueva, a menudo se hace referencia a estas herramientas con diferentes nombres, e incluiremos sus términos alternativos para mayor claridad.
Modelos quirúrgicos
Los modelos quirúrgicos son representaciones 3D a escala 1:1 de la anatomía de un paciente que ayudan a formular el tratamiento de un cirujano para una operación. Más allá de las tomografías computarizadas o resonancias magnéticas tradicionales, los modelos quirúrgicos son una herramienta traslativa que muestra la relación espacial entre órganos, huesos o tejidos, cualquiera que sea la anatomía pertinente al caso. A menudo, los modelos quirúrgicos se utilizan para comprender dónde están los tumores en relación con la anatomía circundante y para desarrollar estrategias de reconstrucción. Estos son informativos para el médico, así como para el paciente y su familia.
Modelo quirúrgico impreso en 3D que representa un aneurisma de la arteria cerebral de un paciente. (Créditos de la foto: 3D4MED).
Guía quirúrgica
También conocida como guía específica del paciente (PSG, por sus siglas en inglés) o guía de corte, las guías quirúrgicas se utilizan para dirigir a un cirujano durante la operación. Estas herramientas de un solo uso están hechas a medida para el paciente y luego se aplican directamente al cuerpo durante la cirugía. Funcionan como una plantilla, o estarcido, al mostrarle al cirujano dónde colocar una cuchilla, tornillo o cualquier herramienta que esté utilizando. A veces, pueden indicar la profundidad y la dirección de una maniobra. Esencialmente, las guías quirúrgicas ayudan a garantizar la exactitud del procedimiento. Se utilizan para diversas cirugías, entre las que se incluyen la cirugía craneomaxilofacial, la cirugía dental, las osteotomías y la cirugía ortopédica.
Guía de corte pélvico específica para el paciente impresa en 3D en las instalaciones de fabricación de Insight Surgery en el Children’s Nebraska. (Créditos de la foto: Insight Surgery)
Simulación
Los modelos de simulación son similares a los modelos anatómicos quirúrgicos, pero en lugar de ser para un caso específico del paciente, se utilizan para la educación y la formación. Estos pueden diseñarse de la misma manera que un caso específico del paciente, pero debido a que no se utilizan para la planificación prequirúrgica de un paciente específico, pueden modificarse o incluso crearse sin utilizar imágenes radiológicas. Pueden tener características realistas donde cada pieza de anatomía imita el tejido real. La carne se siente como carne, el hueso se siente e imita al hueso, los órganos se sienten según la densidad de cada órgano, funcionando como una alternativa potencial a los cadáveres. Los cirujanos pueden realizar operaciones completamente simuladas en estos modelos. Los fantomas son un tipo específico de simulación utilizado en las prácticas de radiología para la capacitación en radiografías, tomografías computarizadas, resonancias magnéticas y ultrasonido. En estas simulaciones, los materiales impresos en 3D se verán muy similares a los tejidos reales del paciente, creando una mejor capacitación para los profesionales de imágenes y resultando en una menor dosis de radiación (o tiempo de escaneo para RM/ultrasonido) para el paciente.
Cirujanos que practican en un modelo de corazón pediátrico impreso en 3D. (Créditos de la foto: Stratasys).
¿Por qué imprimir en 3D una herramienta para cirugía?
Las herramientas impresas en 3D no son necesarias para todas las cirugías, entonces, ¿qué justifica su producción? Para los modelos y guías quirúrgicos, el caso generalmente involucrará una anatomía única o compleja, un caso que no esté claro solo con resonancias magnéticas o tomografías computarizadas. Según el Dr. Peter Rose, cirujano de tumores ortopédicos de la Mayo Clinic en Rochester, Minnesota, estos casos a menudo corresponden a la parte central del cuerpo.
Explicó: «Si alguien tiene un tumor alrededor de la rodilla, por ejemplo, es bastante fácil de entender…y los cortes que haces en su mayor parte van a ser cortes bastante rectos que puedes hacer con una cámara de rayos X para guiarte y una plantilla de corte, o a mano alzada». Pero cuando tenemos tumores que están dentro y alrededor de la pelvis, por ejemplo, o tumores que están dentro y alrededor de la columna vertebral, donde es muy complicado y abarca varios compartimentos anatómicos diferentes…[la impresión 3D] es algo extremadamente útil».
El Dr. Rose señaló que, para los cánceres, es importante extirpar un cáncer por completo y en una sola pieza con un manguito de tejido normal a su alrededor como margen. «La anatomía con la que tenemos que trabajar a menudo no es recta y rectangular», dijo,«se curva y se mueve, por lo que [la impresión 3D] nos ha permitido identificar trayectorias que usaríamos para hacer un corte alrededor de las cosas».
Modelo quirúrgico de un tumor (negro y morado) en el hueso pélvico (blanco), junto con los vasos sanguíneos (azul) y arterias (rojo). Este modelo específico del paciente se utilizó para planificar la resección quirúrgica del tumor pélvico, para que el cirujano pudiera comprender mejor la morfología, localización y vascularización de la masa. (Créditos de la foto: 3D4MED).
Los fantomas y las simulaciones, por otro lado, pueden imprimirse para la capacitación quirúrgica general o para practicar casos específicos de pacientes. Seattle Children’s Hospital, por ejemplo, imprime en 3D las tráqueas de los pacientes que tienen problemas para respirar. Luego, su cirujano de oído, nariz y garganta puede cortar y hacer puntos de sutura en la impresión 3D, practicando la cirugía antes de la operación real.
¿Cómo es el proceso?
Para cada proceso de impresión 3D, el primer paso es siempre crear el modelo 3D, ya sea a través de un escaneo o un diseño. Debido a que la toma de una tomografía computarizada o resonancia magnética ya forma parte del proceso preoperatorio, los escaneos ya están disponibles para la impresión 3D. Usando estas resonancias magnéticas o tomografías computarizadas del departamento de radiología, los especialistas en imagen 3D pueden desarrollar modelos 3D de la anatomía deseada. Por supuesto, el proceso para imprimir herramientas quirúrgicas en 3D se verá diferente dependiendo de si un hospital imprime en 3D o subcontrata las impresiones. En esta sección, repasaremos el flujo de trabajo general para las piezas de impresión 3D en hospitales.
Una vez que se obtienen los escaneos, los especialistas en imágenes 3D tienen que hacer la segmentación, lo que significa definir qué estructuras se desean para una mejor visualización. Identificar los límites de varias partes como tumores, huesos, órganos y vasos sanguíneos es el objetivo principal de la segmentación. A menudo, esto tiene que hacerse manualmente para la impresión 3D, porque los casos que se imprimen en 3D son casi siempre únicos. Sin embargo, algunas soluciones de IA se han integrado en este proceso.
El gerente de 3D del centro médico Children’s Nebraska, Gabe Linke, explicó : «En algunos casos, [la IA] nos ayuda a mucho al comenzar, pero luego tenemos bastante trabajo manual… Estamos entusiasmados porque a medida que la IA mejore, probablemente se necesitarán cada vez menos datos para entrenar modelos exitosos».
Créditos de la imagen: Bastawrous et. al.
Tecnologías y materiales
Una vez que se prepara el archivo 3D, es hora de imprimir, pero ¿qué tecnologías y materiales se deben utilizar? El proceso requiere consultar con médicos e ingenieros o especialistas en imágenes 3D, en cualquier caso, personas que especifiquen las necesidades del caso. Se utilizan varios tipos de tecnologías de impresión 3D para las herramientas de planificación quirúrgica.
Adam Wentworth, ex ingeniero sénior de la Clínica Mayo y actualmente ingeniero sénior de desarrollo de productos en Ricoh, explicó que las tecnologías de impresión 3D más comunes utilizadas son la extrusión de materiales (FDM), la estereolitografía (SLA) y la inyección de material (Polyjet). En menor medida, dijo, también se utiliza la fusión por lecho de polvo con nylon 12 o poliuretano termoplástico.
Dependiendo del caso, se usa una u otra tecnología. Debido a que las herramientas de planificación quirúrgica impresas en 3D tienen que ver con ayudar a las personas a visualizar una situación, algunas de las cualidades de impresión 3D más importantes que un técnico debe considerar están relacionadas con el efecto visual de la pieza, es decir, si la impresión será multicolor, multimaterial y/o transparente. El equipo también puede considerar si quieren que la pieza pueda abrirse, revelando la anatomía del interior. Otro aspecto es la textura de la pieza y si debe o no imitar la sensación de la anatomía real.
A continuación, observa la diferencia entre una tomografía computarizada, una imagen plana con tonos de gris, frente a un dispositivo impreso en 3D: un objeto con colores de alto contraste y características tangibles. Es mucho más fácil ver lo que está pasando con una impresión 3D en comparación con un escaneo que no es tan inteligible para aquellos sin antecedentes médicos.
> t=»400″ /> A la izquierda, una tomografía computarizada del abdomen y la pelvis (Créditos de la imagen: Mikael Häggström, MD), y a la derecha, un modelo 3D creado para un paciente en el Children’s Nebraska con un tumor abdominal complejo. (Créditos de la imagen: Julia Steiner).
Varias empresas, como Formlabs, EOS, Lithoz y Raise3D, producen impresoras 3D para aplicaciones médicas. Stratasys es otro que se ha hecho un nombre como fabricante de impresoras 3D médicas, y podemos tener una idea de los rasgos deseados para la fabricación aditiva en la atención médica analizando las soluciones médicas de la compañía.
La J5 MediJet, que se anuncia como una impresora 3D médica todo en uno, y la serie de impresoras Digital Anatomy, pueden producir material esterilizable, lo cual es especialmente importante para las guías quirúrgicas que orientan la mano de un cirujano. Además, pueden imprimir materiales que reaccionan a la fuerza de la misma manera que el tejido o el hueso humano. Esto es útil para las simulaciones, de modo que cuando se manipulan, imita la sensación de la operación. Además, las impresoras Stratasys pueden realizar impresiones con materiales biocompatibles, útiles para implantes u otros objetos que estén en contacto con el cuerpo.
A la izquierda, una impresión 3D hecha de TissueMatrix de Stratasys, que, suave y contráctil, se comporta como un órgano cuando se aplica fuerza. A la derecha, una impresión 3D hecha de BoneMatrix de Stratasys, que crea patrones de depósito de material que imitan estructuras óseas porosas, tejidos fibróticos y ligamentos. (Créditos de la imagen: Stratasys).
Antes de la cirugía
Después de imprimir el archivo, cualquier postratamiento dependerá de las tecnologías utilizadas y las demandas del caso. Finalmente, una parte impresa en 3D llegará a la sesión informativa antes de la operación.
El Dr. Rose estableció el escenario: «Al comienzo de cualquier operación, tenemos lo que se llama una sesión informativa y una sesión informativa es antes de que el paciente ingrese a la sala de operaciones, donde el cirujano principal analiza cuál es el plan para el caso, cuáles son las necesidades anticipadas, cuáles son los peligros potenciales para el caso…y el modelo impreso en 3D es central…porque orienta a todos en la sala de operaciones, desde el equipo de anestesia hasta el técnico de rayo x, hasta las personas que nos ayudan con los implantes y los instrumentos. Todo el mundo obtiene una comprensión intuitiva de los objetivos y la naturaleza de la operación, mucho mejor que solo mirar rebanadas de una tomografía computarizada».
Hospitales con unidades de impresión 3D internas
Varios hospitales están aprovechando la tecnología de impresión 3D, pero son pocos los que cuentan con equipo de impresión 3D internamente. En cambio, muchos optan por subcontratar sus herramientas impresas en 3D. Hay muchas empresas dedicadas a proporcionar este servicio, incluidas Insight Surgery y MedScan, por nombrar algunas.
Utilizar un proveedor externo a veces puede ser más fácil porque ya tienen la experiencia, las herramientas y los profesionales operativos para imprimir la pieza. Además, las empresas externas de impresión 3D podrían tener acceso a tecnologías que serían poco prácticas o inseguras para un hospital, como máquinas capaces de imprimir en 3D con metal.
Si bien estos proveedores de impresión 3D pueden tener relaciones sólidas con sus clientes, el uso de un servicio externo puede resultar en plazos de entrega más largos, lo que significa que un hospital debe esperar por una pieza durante varias semanas. El Dr. Rose explicó la dinámica. «Hemos tenido retrasos inadvertidos en los que no pudimos usar un implante debido a la progresión del cáncer y los plazos de entrega. Las empresas se han tragado el costo de eso, lo que, honestamente, no necesitábamos que hicieran…Tenemos una buena asociación con la industria, pero tratamos de hacer la mayor parte internamente solo porque hay una sinergia inherente al hacerlo con tu propia gente».
Algunas de las impresoras 3D de estereolitografía de Mayo Clinic. (Créditos de la foto: Mayo Clinic).
La Clínica Mayo de Minnesota tiene una de las unidades de impresión 3D en el los puntos de atención más sólidas de los Estados Unidos, y han estado allanando el camino para otros hospitales. Con más de 100 hospitales en los Estados Unidos con capacidades de impresión 3D en sus puntos de atención en la actualidad, y la Administración de Salud de Veteranos de los Estados Unidos (VHA) pasando de tres impresoras 3D en 2017 a 60 en 2020, no hay signos de desaceleración. Según Precedence Research, se prevé que el tamaño del mercado global de modelos quirúrgicos impresos en 3D alcance alrededor de USD 2 841.23 millones para 2034, expandiéndose a una CAGR del 15.02% durante el período de pronóstico de 2024 a 2034.
Los beneficios
El efecto más significativo de estas herramientas de planificación quirúrgica es que pueden reducir los tiempos de operación y mejorar los resultados de esta. Una revisión sistemática publicada por BioMedical Engineering OnLine, que analizó 227 documentos quirúrgicos, encontró que el 82 por ciento de los estudios sobre impresión 3D y planificación preoperatoria notaron mejores resultados quirúrgicos cuando se emplearon modelos impresos en 3D en lugar de la planificación preoperatoria estándar, y más del 50 por ciento de los estudios en la revisión demostraron una disminución en la duración de la operación.
Esa revisión se publicó en 2016, pero la impresión 3D continúa demostrando resultados similares, o incluso mejores. Ryan Cameron, vicepresidente de Tecnología e Innovación del Children’s Nebraska, dijo que gracias a la tecnología 3D, «habitualmente vemos ganancias de entre un 20 y un 50 por ciento en el tiempo quirúrgico…Eso es normal para nosotros».
Y tener operaciones más rápidas no se trata solo de ahorrar tiempo, también significa que un paciente puede pasar menos tiempo con anestesia, tener menos pérdida de sangre intraoperatoria y tener una menor necesidad de fluoroscopia intraoperatoria. Además, debido a que la impresión 3D ayuda a los cirujanos a lograr una mayor precisión y exactitud, estas herramientas, en algunos casos, pueden reducir la necesidad de múltiples operaciones. Como explica Linke, simular la cirugía con impresión 3D de antemano lleva más tiempo, «pero puede limitar el potencial de repetición de operaciones, porque teníamos un mejor plan quirúrgico al entrar en la sala de operaciones».
Un fantoma torácico específico para el paciente creado por el Children’s Nebraska para la simulación y capacitación sobre la intervención y el abordaje de una coartación de la aorta. (Créditos de la imagen: Julia Steiner)
Antes de la cirugía, estas herramientas 3D también pueden beneficiar a los pacientes y sus familias. El Dr. Rose dijo que al mostrarles modelos 3D, «podemos dejar que sean un socio activo y dejar que decidan, ‘¿es esta cirugía lo correcto para mí?'».
Al Dr. Rose le da más tranquilidad, sabiendo que un paciente tiene una mejor comprensión de su cirugía. «Estas son cosas increíblemente difíciles por las que pasan los pacientes y sus familias», dijo, refiriéndose a sus pacientes con cáncer. «Y la capacidad de ver un modelo que pueden tener en sus manos les ayuda a comprender mejor la naturaleza de su operación tumoral».
Esencialmente, estas herramientas 3D brindan claridad a las personas. Ya sea que alguien sea un estudiante que practica la cirugía en una simulación, un cirujano que revisa un plan quirúrgico o un paciente que comprende su propia situación, las herramientas proporcionan una imagen más clara de los escenarios médicos, al tiempo que mejoran los resultados quirúrgicos.
Abordar los desafíos futuros
Como era de esperar, uno de los desafíos que acompañan a las herramientas quirúrgicas de impresión 3D es el gasto. Wentworth habló sobre las limitaciones actuales: «Algunas tecnologías de FA todavía requieren técnicos muy experimentados para operar y mantener para un uso confiable», dijo. «Como un campo que se encuentra en las primeras etapas de uso de la FA, el costo de configuración con equipos industriales, instalaciones y costos de funcionamiento de consumibles, software y salarios puede ser prohibitivo con un retorno de la inversión desconocido. Las empresas de servicios pueden proporcionar acceso inmediato con un proceso validado en instalaciones certificadas ISO con retornos y logística ligeramente menos favorables hasta que se construya un centro de punto de atención».
Sin embargo, los desafíos actuales de crear herramientas de planificación quirúrgica impresas en 3D cambiarán a medida que la tecnología continúe avanzando y se adopte más ampliamente. Linke, quien comenzó el laboratorio de impresión 3D en Children’s Nebraska, explicó que si bien su hospital no tenía una gran barrera de entrada gracias al apoyo financiero, «simplemente no podemos contratar y capacitar a suficientes personas lo suficientemente rápido como para satisfacer la demanda». Ahora, el hospital está preparado para un crecimiento exponencial.
A medida que mejora la infraestructura para la impresión 3D en hospitales, la tecnología también avanza. La inteligencia artificial, la palabra de moda y en boca de todos, ya está jugando un papel, como se mencionó, en las tecnologías de segmentación. Si bien no buscan la automatización, Cameron dijo que, a veces, «realmente no hay una opción para eliminar la IA», porque la tecnología se integra automáticamente en cierto software.
El proceso de segmentación de imágenes del corazón con artefactos brillantes como resultado del implante metálico y la calcificación arterial. La parte b muestra la segmentación automática, que se ve disminuida por los artefactos. La parte b muestra cómo se utilizó la segmentación manual para aislar el área de interés. (Créditos de la imagen: Segaran et. al).
Sin embargo, eso no significa que estén dejando que la inteligencia artificial tome las riendas por completo. Cameron explicó: «Cualquier decisión que se tome de forma autónoma fuera del ámbito de un médico o un cuidador no es algo que realmente nos interese». En cambio, se centran en sistemas de apoyo a la toma de decisiones, sistemas que pueden ayudarlos a ser más eficientes, pero nunca a tomar una decisión. «Somos muy cautelosos y conscientes de los productos de IA que prometen autonomía de software, y hemos estado evitando intencionalmente ese espacio», agregó Cameron.
Además de las mejoras de software, la tecnología de impresión 3D ha demostrado avanzar continuamente, con impresoras que dan resultados más realistas y de múltiples materiales más rápido y con más precisión que nunca. Como dijo Wentworth, «Más aplicaciones alcanzarán etapas posteriores de madurez que justifiquen la inversión debido a su impacto publicado y comprobado. Mi visión es que estas iniciativas actualmente aisladas florecerán e inspirarán a otros a perseguir lo que es posible, aunque en la práctica, el reembolso probablemente será lo que impulse la adopción».
De hecho, el costo jugará un papel importante en la determinación de cómo los hospitales aprovechan la tecnología. Cada institución se verá diferente, pero para el Children’s Nebraska, el avance de la impresión 3D es pagado principalmente por el hospital, que solo pueden pagar gracias al apoyo de la comunidad. «Los beneficios definitivamente superan los costos», afirmó Cameron.
Con todo este progreso, el uso de herramientas impresas en 3D para la planificación quirúrgica está a punto de convertirse en una parte esencial de la atención médica moderna. La tecnología está ahí y mejora cada día, solo es cuestión de encontrar a las personas y la financiación para maximizar el impacto y garantizar la mejor atención.
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*Créditos foto de portada: Stratasys