Prácticas prequirúrgicas basada en modelos anatómicos ultrarrealistas

Josefa Galvañ Gisbert¹, PhD. Asunción Martínez García1, Nacho Sandoval1, María Gloria Álvarez Caballero², Vicente Ibáñez Pradas3, Javier Gómez-Chacón Villalba³. 1 AIJU, Avda. de la Industria,23, 03440 Ibi (Alicante), www.aiju.info, e-mail; proyectos@aiju.info ² Área de Simulación Clínica. Hospital Universitario y Politécnico La Fe, Avda. de Fernando Abril Martorell, 106, 46026 Valencia (Valencia), http://www.lafe.san.gva.es/area-de-simulacion-clinica, e-mail: simulación_dslafe@gva.es ³ Sección de Esófago-Gástrica. Servicio de Cirugía Pediátrica. Hospital Universitario y Politécnico La Fe, Avda. de Fernando Abril Martorell, 106, 46026 Valencia (Valencia), http://www.hospital-lafe.com/

06/07/2021

Este artículo muestra el potencial de la tecnología de impresión 3D anatómica digital, que trabaja con unos materiales que simulan distintos tejidos humanos. Entre otras texturas, pueden reproducir vasos sanguíneos con distintos grados de calcificación y huesos con distintos niveles de osteoporosis. Esto permite la obtención de biomodelos con y sin patología específica a partir de imágenes DICOM, extraídos con una elevada precisión a través de una segmentación adecuada y la estrecha colaboración con los propios cirujanos.

Existen determinadas cirugías en las que, por tratarse de patologías o enfermedades complejas y/o con baja incidencia, la curva de aprendizaje tiende a ser más larga, en general, en comparación con procesos muy prevalentes. En estos casos, los cirujanos pueden realizar un programa de entrenamiento previo a la asistencia clínica para alcanzar una mayor autonomía con antelación a la práctica sistemática de la operación. De hecho, dicha curva presenta una función logarítmica de forma inversamente proporcional a la experiencia del cirujano.

Con este fin, Aiju colaboró con el Servicio de Cirugía Pediátrica y el Área de Simulación Clínica del Hospital La Fe en el desarrollo de un biomodelo para un trastorno congénito que aparece en 1 de cada 3500-4000 recién nacidos vivos, pero cuya morbimortalidad puede ser elevada.

Las imágenes médicas como base fundamental

Se parte de imágenes médicas de tres modelos en base a resonancias magnéticas (RMN) y tomografías (TC) de dos pacientes con la patología objetivo y un paciente sin patología diagnosticada en el área de interés. Esta selección múltiple se justifica porque en RMN fetal no se usan grosores de imagen inferior a 3-4 mm dado el movimiento de los fetos durante la adquisición de las imágenes; por su parte, en TC neonatal se intenta usar la menor radiación posible, lo que implica también un grosor mayor que 1 mm en los cortes. Esto se traduce en imágenes menos nítidas, aunque diagnósticas para el ojo especializado y, por lo tanto, de una baja calidad, por lo que el seleccionar varias imágenes permitiría complementar el modelo, unificarlo en uno estandarizado y reconstruir las partes necesarias. Todo esto, aunado con los ínfimos espesores a los que se enfrenta el ingeniero, supone un reto elevado para segmentar el modelo con ciertas garantías. No obstante, se consigue extraer información de valor de las distintas anatomías objetivo con una resolución aceptable.

El biomodelo: complejidad en la fabricación

La fabricación de los biomodelos requirió un análisis previo de verificación de los diferentes elementos que componen el simulador para su obtención con la tecnología PolyJet. Los elementos disponían de espesores de pared muy bajos, siendo menores a los 0’6 mm que recomienda la tecnología. Por ello, se consultó con los facultativos la posibilidad de modificarlos respetando la luz interior de los elementos. Los cirujanos convinieron en su modificación puesto que no generaba distorsión relevante.

Con la combinación de tres materiales básicos y diferentes patrones de combinación de forma matricial, se construyen los biomodelos con texturas y comportamiento similar a diferentes tejidos que abarcan desde el comportamiento óseo hasta tejido cartilaginoso, pasando por otros como fibrosos, ligamentos, calcificaciones, estructura de miocardio o incluso tumorales, con distintos grados de dureza. El biomodelo contempla tanto partes fungibles, que los cirujanos van a manipular en cada sesión de entrenamiento, como una parte fija “envolvente” para simular el área de interés y facilitar el ensamblaje del resto de estructuras anatómicas.

Inicialmente se realizó una selección de materiales con comportamiento similar a vasos sanguíneos y un primer abanico de 5 durezas distintas que aporten diferentes texturas hápticas a testar por los facultativos. Esto les permitió hacer pruebas empíricas diversas:

Correlación anatómica
Comportamiento al tacto
Comportamiento a sutura
Otros aspectos relacionados con el proceso de selección

Con los resultados preliminares de estos ensayos se alinea el comportamiento que ofrece el material con las necesidades del grupo investigador, con el fin de abordar las particularidades de la práctica quirúrgica a realizar. En base al comportamiento y resistencia de los materiales, se descartan algunos de ellos y se seleccionan otros. Después de diversas iteraciones, se seleccionan los comportamientos más adecuados para la fabricación de los biomodelos, tanto de la envolvente, que no precisa de un comportamiento anatómico específico y que se puede fabricar consecuentemente con otras tecnologías más económicas, como de la parte fungible, que se realiza con la tecnología y combinación de materiales seleccionados.

Validación del biomodelo por el equipo cirujano

La tecnología utilizada para los biomodelos de carácter fungible permite obtener todos los elementos unidos en un mismo proceso de fabricación y con materiales de distinto comportamiento. La validación inicial de los mismos por parte de los cirujanos ha determinado lo siguiente:

Dan valor a la precisión y elevado nivel de detalle de la geometría, aunque algunos comportamientos hápticos requieren de mayor número de iteraciones.
Los espesores de pared de alguno de los elementos eran demasiado bajos y se desgarraban con facilidad al suturarlos. En este componente del biomodelo es necesario aplicar más elasticidad a los materiales. También se plantea aumentar los espesores de pared, manteniendo la luz interior de los elementos.
El modelo anatómico requería una pequeña separación de dos elementos que se hubiesen apreciado con una mayor calidad de las imágenes RMN. Esta separación se aplicó en el siguiente modelo con el fin de obtener con mayor fidelidad la patología objeto de estudio.
Se requería una mayor rigidez sobre la pieza óptima en una zona de anillos de uno de los elementos. Se redefinió el elemento con una menor flexibilidad para replicar el comportamiento más cercano al tejido real de esa zona.

Tras la validación en el Hospital La Fe de las modificaciones realizadas, se obtendrá una segunda serie de modelos impresos que reúnan además las características extraídas de la primera validación, por lo que será posible conseguir replicar un modelo con prestaciones más cercanas al modelo real y mejorar los resultados de la práctica prequirúrgica.

Resultados

La curva de aprendizaje de los cirujanos se incrementa exponencialmente con la utilización de biomodelos para prácticas prequirúrgicas, hecho demostrado en numerosos estudios de la literatura. Por ello, la disponibilidad de biomodelos precisos y realistas, que permitan al equipo cirujano el entrenamiento de la operación, es un elemento crucial para facilitar el desarrollo de prácticas clínicas seguras.

Queda patente la necesidad de una colaboración estrecha entre los cirujanos, el equipo de radiología y los ingenieros para obtener una segmentación precisa de las imágenes médicas, así como unas texturas y háptica aproximada al tejido orgánico de interés, que permita la recreación realista de dichas prácticas.

En consecuencia, queda una larga y emocionante trayectoria que permita medir, con indicadores precisos, los beneficios en términos económicos y en aspectos de morbimortalidad y buenas prácticas de estos desarrollos, para que lleguen a implementarse fehacientemente tanto en los sistemas de salud públicos como privados.

Agradecimientos

Las actividades desarrolladas en el presente artículo han sido llevadas a cabo en el marco del proyecto 'Simulador anatómico 3D … para el entrenamiento en cirugía pediátrica', apoyado por la Agencia Valenciana de la Innovación, dentro de la línea nominativa del Instituto de Investigación Sanitaria La Fe.

¹ Virtual Reality Training Improves Operating Room Performance. Seymour NE, Gallagher AG, Roman SA, et al. Ann Surg. 2002;236:458–64.

² Prospective, randomized assessment of transfer of training (ToT) and transfer effectiveness ratio (TER) of virtual reality simulation training for laparoscopic skill acquisition. Gallagher AG, Seymour NE, Jordan-Black JA, Bunting BP, McGlade K, Satava RM. Ann Surg. 2013;257:1025–1031.