Summary
Aquí, se propone un nuevo método para establecer un modelo personalizado impreso en 3D para la evaluación preoperatoria de la cirugía de tiroides. Es propicio para la discusión preoperatoria, reduciendo la dificultad de la cirugía de tiroides.
Abstract
La estructura anatómica del área quirúrgica del cáncer de tiroides es compleja. Es muy importante evaluar exhaustiva y cuidadosamente la ubicación del tumor y su relación con la cápsula, la tráquea, el esófago, los nervios y los vasos sanguíneos antes de la operación. Este documento presenta un innovador método de establecimiento de modelos impresos en 3D basado en imágenes DICOM de tomografía computarizada (TC). Establecimos un modelo personalizado impreso en 3D del campo de la cirugía cervical de tiroides para cada paciente que necesitaba cirugía de tiroides para ayudar a los médicos a evaluar los puntos clave y las dificultades de la cirugía y seleccionar los métodos de operación de las partes clave como base. Los resultados mostraron que este modelo es propicio para la discusión preoperatoria y la formulación de estrategias de operación. En particular, como resultado de la clara visualización de las ubicaciones recurrentes del nervio laríngeo y la glándula paratiroides en el campo de operación de la tiroides, se pueden evitar lesiones durante la cirugía, se reduce la dificultad de la cirugía tiroidea y también se reduce la incidencia de hipoparatiroidismo postoperatorio y las complicaciones relacionadas con la lesión recurrente del nervio laríngeo. Además, este modelo impreso en 3D es intuitivo y ayuda a la comunicación para la firma del consentimiento informado por parte de los pacientes antes de la cirugía.
Introduction
Los nódulos tiroideos son una de las enfermedades endocrinas más comunes, entre las cuales el cáncer de tiroides representa el 14%-21%1. El tratamiento preferido para el cáncer de tiroides es la cirugía. Sin embargo, debido a que la glándula tiroides se encuentra en el área cervical anterior, hay tejidos y órganos importantes cerca de la glándula tiroides en el área de operación, como la glándula paratiroides, la tráquea, el esófago y los grandes vasos y nervios cervicales2,3, lo que hace que la operación sea relativamente difícil y arriesgada. Las complicaciones quirúrgicas más comunes son una disminución de la función paratiroidea causada por lesión de la función paratiroidea o resección errónea y ronquera causada por lesión recurrente del nervio laríngeo4. La reducción de las complicaciones quirúrgicas mencionadas anteriormente siempre ha sido un objetivo para los cirujanos. El método de imagen más común antes de la cirugía de tiroides es la ecografía, aunque su visualización de la glándula paratiroides y el nervio es muy limitada5. Además, la variación en la posición de la glándula paratiroides y del nervio laríngeo recurrente en el área de cirugía tiroidea es muy alta, lo que dificulta la identificación 6,7. Si la posición anatómica de cada paciente se puede mostrar claramente al cirujano a través del modelo en tiempo real durante la operación, reducirá el riesgo operacional de la cirugía de tiroides, reducirá la incidencia de complicaciones y mejorará la eficiencia de la cirugía de tiroides.
Además, también es difícil explicar a fondo el proceso quirúrgico a los pacientes antes de la cirugía. A algunos cirujanos sin experiencia les resulta difícil explicar y transmitir los detalles precisos de la operación a los pacientes, especialmente debido a la complejidad de la glándula tiroides y sus estructuras circundantes. Cada paciente tiene su propia estructura anatómica única y necesidades personales8. Por lo tanto, un modelo 3D de tiroides personalizado basado en la anatomía real del paciente puede ayudar eficazmente a los pacientes y a los médicos. Actualmente, la mayoría de los productos en el mercado se producen en masa en base a diagramas planos. Al utilizar la tecnología de impresión 3D para producir un modelo específico del paciente que refleje las necesidades médicas individuales de cada paciente, este modelo se puede utilizar para evaluar la condición real de los pacientes con cáncer de tiroides y ayudar a los cirujanos a comunicar mejor la naturaleza de la enfermedad con los pacientes.
La impresión 3D (o fabricación aditiva) es una construcción tridimensional construida a partir de un modelo de diseño asistido por computadora o un modelo digital3D 9. Se ha utilizado en muchas aplicaciones médicas, como dispositivos médicos, modelos anatómicos y formulación de fármacos10. En comparación con las imágenes tradicionales, un modelo de impresión 3D es más visible y más legible. Por lo tanto, la impresión 3D se utiliza cada vez más en los procedimientos quirúrgicos modernos. Las tecnologías impresas en 3D comúnmente utilizadas incluyen la impresión basada en polimerización en cuba, la impresión basada en polvo, la impresión basada en inyección de tinta y la impresión basada en extrusión11. En la impresión basada en la polimerización en cuba, se irradia una longitud de onda específica de luz sobre un barril de resina fotopolimerizada, que cura localmente la resina una capa a la vez. Tiene las ventajas de ahorro de material e impresión rápida. La impresión en polvo se basa en el calentamiento localizado para fusionar el material en polvo para una estructura más densa, pero también conduce a un aumento significativo en el tiempo y el costo de impresión, y actualmente tiene un uso limitado12. La impresión basada en inyección de tinta utiliza una pulverización precisa de gotas sobre el sustrato en un proceso capa por capa. Esta tecnología es la más madura y tiene las ventajas de alta compatibilidad de materiales, costo controlable y tiempo de impresión rápido13. La impresión basada en extrusión extruye materiales como soluciones y suspensiones a través de boquillas. Esta técnica utiliza células y, por lo tanto, tiene las más altas capacidades de imitación de tejidos blandos. Debido al mayor costo y bioafinidad, se utiliza principalmente en el campo de la ingeniería de tejidos y con menor frecuencia en modelos de órganos quirúrgicos14.
Como resultado, elegimos la tecnología de impresión "White Jet Process", basada en la complejidad de la tiroides y sus estructuras circundantes y el programa quirúrgico. Esta tecnología combina las ventajas de la impresión basada en polimerización en cuba y la impresión basada en inyección de tinta, y ofrece alta precisión, impresión rápida y bajo costo, lo que la convierte en una buena opción para la cirugía de tiroides. El objetivo de este protocolo es hacer un modelo de cáncer de tiroides impreso en 3D, mejorar el pronóstico de los pacientes proporcionando información suficiente sobre la estructura anatómica y la variación de los pacientes, e informar mejor a los médicos y pacientes sobre todas las condiciones relacionadas con el proceso quirúrgico.
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Protocol
Este estudio no necesitó aprobación para realizarse ni ningún tipo de consentimiento de los pacientes para usar y publicar sus datos, porque todos los datos e información en este estudio y video fueron anonimizados.
1. Recopilación de datos de imagen
- Escanear la tiroides del paciente mediante tomografía computarizada (TC) mejorada para obtener los datos de imagen en formato DICOM. Asegúrese de que este proceso se realiza dentro de 1 semana antes de la operación y controle el grosor de la rebanada para que sea de ≤1 mm.
2. Tratamiento de datos DICOM
- Importe los datos de la imagen escaneada del paciente en el software (consulte la Tabla de materiales) y establezca el umbral apropiado de acuerdo con la diferencia en el valor de gris entre la glándula tiroides y los tejidos u órganos circundantes. Como los diferentes valores de gris son reflejos de las diferencias en la densidad de diferentes áreas del cuerpo humano, establezca el umbral de escala de grises (unidad: hu; en el software) en 226-1,500 para presentar la imagen ósea; Establezca el umbral en -200-226 para mostrar la imagen de la glándula tiroides. Deje que el software identifique automáticamente el área en caja, o delinee manualmente el límite del área objetivo si el reconocimiento no es satisfactorio.
NOTA: Los imitadores seleccionan automáticamente la región tiroidea y utilizan la tecnología de crecimiento de la región 3D para segmentar la imagen y calcular la reconstrucción 3D. Al mismo tiempo, la imagen 3D está optimizada para reducir la rugosidad y el sentido de los pasos para obtener un modelo de visualización digital 3D natural, suave y auténtico, que permite una observación más directa del modelo 3D para los cirujanos. - Generar archivos STL a partir del modelo de datos reconstruido. Elija el modelo reconstruido en el software, haga clic en Exportar en el dock de archivos y elija STL como formato de archivo de exportación. Finalmente, genere los archivos STL con éxito.
3. Interacción médico-ingeniería
- Envíe la vista previa del modelo 3D reconstruido a los médicos, quienes confirmarán los requisitos aplicados y la estructura anatómica del modelo 3D y darán retroalimentación al ingeniero de modelado si se necesita una modificación. Después de recibir las confirmaciones de los médicos, proceda a la etapa de preparación de la producción.
4.3D impresión (Archivo complementario 1)
- Transfiera los datos del archivo STL a la impresora 3D de material colorido y complete los ajustes preestablecidos de parámetros (como el modo de impresión, el grosor del trazo de corte, el método de soporte y la coloración del modelo) a través del software de corte de impresión 3D compatible.
- Seleccione el modelo de impresión según el tipo de productos terminados (los modelos de impresión en color suelen utilizar la tecnología White Jet Process, mientras que la resina fotosensible suele utilizar Digital Light Procession).
- Seleccione el parámetro de grosor del trazo de la rebanada de acuerdo con el grosor de los productos (aquí, de 24 μm a 36 μm).
- Elija el método de soporte de acuerdo con la finura del modelo de impresión: Soporte general (mejor protección y menos daños en los detalles finos) o Soporte parcial (que ahorra materiales).
- Seleccione el color del modelo mediante la función de paleta de colores de la impresora. Unificar las arterias con color rojo 255 y las venas con color azul 255.
NOTA: Como otras partes, como la lesión tumoral, no son estrictamente estándar, los cirujanos pueden seleccionar un color de acuerdo con sus necesidades o preferencias.
- Rellene la resina de curado por luz dura en la impresora 3D (consulte la Tabla suplementaria S1), depure la plataforma de impresión e imprima con la tecnología White Jet Process. Después de imprimir, saque el modelo preliminar impreso de tiroides.
NOTA: La tecnología White Jet Process se basa en el principio de la impresión de inyección de tinta, donde una capa delgada de resina fotosensible se imprime en un chorro y luego se irradia con una longitud de onda específica de luz UV, causando una rápida reacción de polimerización y curado de la resina fotosensible. Este proceso se completa capa por capa hasta que se completa la impresión.
5. Post-tratamiento
- Reste la estructura de soporte del modelo preliminar impreso de tiroides. Muele, barniza y cura el producto semifabricado para obtener un modelo de tiroides isométrico individualizado 1:1 impreso en 3D.
- Restar estructura de soporte
- Con guantes, rompa los soportes de envoltura alrededor del modelo preliminar y retire la mayor parte del cuerpo principal de la estructura de soporte.
- Coloque el modelo en un limpiador ultrasónico con solución alcalina Ca(OH)2 para una limpieza de 15 minutos.
- Coloque el modelo en un chorro de arena húmedo y enjuáguelo hasta que el resto de la estructura de soporte en la superficie se elimine.
- Molienda
- Moler el modelo con una amoladora eléctrica, lima o muela.
- Barnizado
NOTA: Este proceso consiste en pulverizar y pintar manualmente.- Rocíe el barniz en bloques de color de área grande en la mitad de la superficie del modelo. Pinta manualmente los bloques de color de área pequeña con barniz.
- Curado
- Coloque el modelo en una máquina de curado UV durante 30 s de curado.
- Saca el modelo y límpialo con un 95% de alcohol.
NOTA: Después de que el alcohol se volatiliza completamente, la producción ha terminado.
- Restar estructura de soporte
6. Entrega
- Empaquete el modelo de tiroides y complete la entrega a los cirujanos antes de la cirugía.
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Representative Results
Este artículo presenta un protocolo para la construcción de modelos personalizados impresos en 3D de las tiroides de los pacientes. La Figura 1 muestra un diagrama de flujo para establecer un modelo personalizado impreso en 3D para las tiroides de los pacientes. La figura 2 muestra el dispositivo de impresión de modelos impreso en 3D personalizado para tiroides de pacientes. La Figura 3 muestra la interfaz del software para el establecimiento de un modelo personalizado impreso en 3D para pacientes con tiroides. La interfaz que se muestra se detalla en el video. La figura 4 muestra el producto terminado del modelo personalizado impreso en 3D de tiroides de pacientes. Muestra diferentes niveles anatómicos y estados del modelo 3D del mismo paciente. A la izquierda está el área de la cirugía de tiroides después de la extirpación muscular. A la derecha está el área de la cirugía de tiroides envuelta por el músculo esternocleidomastoideo. La Figura 5 muestra el caso de un paciente con cáncer de tiroides para quien se construyó un modelo completo impreso en 3D de la región tiroidea a través de una TC mejorada antes de la operación. A es la sección coronal, B es la sección transversal y C es la sección sagital de la tomografía computarizada del paciente. D muestra el modelo 3D construido e impreso basado en TC. Basado en TC, la sección transversal de cada tomografía computarizada se superpone para establecer un modelo 3D. En comparación con la TC tradicional, es más estereoscópica e intuitiva, y se puede observar mediante una rotación de 360°.
Figura 1: El diagrama de flujo para establecer un modelo personalizado impreso en 3D para pacientes con cáncer de tiroides. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: El dispositivo modelo personalizado impreso en 3D para pacientes con cáncer de tiroides. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: La interfaz de software para el establecimiento de un modelo personalizado impreso en 3Dpara pacientes con cáncer de tiroides. La interfaz que se muestra se detalla en el video. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: El producto final del modelo personalizado impreso en 3D de pacientes con cáncer de tiroides (el mismo modelo en la parte izquierda y derecha). A la izquierda está el área de la cirugía de tiroides después de la extirpación muscular. A la derecha está el área de la cirugía de tiroides envuelta por el músculo esternocleidomastoideo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: El caso de un paciente con cáncer de tiroides que completó un modelo impreso en 3D de la región tiroidea a través de una TC mejorada antes de la operación. A es la sección coronal de la tomografía computarizada del paciente. B es la sección transversal de la tomografía computarizada del paciente. C es la sección sagital de la tomografía computarizada del paciente. D muestra el modelo 3D construido e impreso basado en la tomografía computarizada. Basado en la TC, la sección transversal de cada tomografía computarizada se superpone para establecer un modelo 3D. En comparación con la TC tradicional, es más estereoscópica e intuitiva, y se puede observar mediante una rotación de 360°. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo complementario 1: Producción y empaquetado de cada modelo de modelos personalizados de tiroides a todo color impresos en 3D. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla suplementaria S1: Especificaciones técnicas de la impresora 3D multimaterial a color. Haga clic aquí para descargar este archivo.
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Discussion
El ultrasonido puede ser el único procedimiento de imagen preoperatorio para la mayoría de los pacientes sometidos a cirugía de tiroides15. Sin embargo, algunos casos bien diferenciados pueden sufrir enfermedades avanzadas, que invaden los tejidos u órganos circundantes y dificultan la operación16. Este modelo puede ser más adecuado para pacientes con cáncer de tiroides muy avanzado. Cuando la enfermedad progresa, la tomografía computarizada adicional es útil para un diagnóstico posterior. Este modelo se basa en la tomografía computarizada, que proporciona más información anatómica y morfológica que el fantasma de la tiroides producido por lotes actualmente accesible. También puede mostrar claramente la relación entre el tumor tiroideo y la tiroides, así como la relación entre el tumor tiroideo y los tejidos circundantes.
El modelo resultante se puede utilizar para predecir cambios estructurales importantes y malformaciones antes de la cirugía. En la práctica clínica, mejora en gran medida la eficiencia de la evaluación quirúrgica personalizada por parte de los médicos para diferentes pacientes. La experiencia de los cirujanos mostró que este modelo redujo la imprevisibilidad de la cirugía y acortó el tiempo de operación. La importancia de este modelo es mejorar el pronóstico de los pacientes al proporcionar información suficiente sobre la propia estructura y variación anatómica del paciente y comprender mejor los resultados postoperatorios, incluidas las complicaciones que pueden estar relacionadas con el proceso natural de la cirugía, y hacer un fantasma tiroideo real que refleje la estructura anatómica basada en TC.
Además, hacer un modelo de cáncer de tiroides impreso en 3D puede ayudar a los pacientes a comprender mejor sus problemas relacionados con la salud y puede ayudar a los médicos a proponer el mejor plan de tratamiento. Estudios previos mostraron que el uso de modelos impresos en 3D en la educación médica mejoró el efecto de la educación17,18,19. Un estudio utilizó tecnología de impresión 3D para ayudar a enseñar la clasificación de las fracturas acetabulares, ya que estas estructuras anatómicas óseas complejas requieren una planificación quirúrgica precisa y confirmación17. Un estudio previo utilizó una media pelvis impresa en 3D para la planificación preoperatoria y logró resultados positivos al capacitar a cirujanos inexpertos18. Otro estudio utilizó modelos de labio leporino y paladar hendido impresos en 3D como material didáctico, lo que puede proporcionar una mejor comprensión de diferentes escenarios de pacientes19. Para los pacientes con cáncer de tiroides, los modelos impresos en 3D de los pacientes antes de la cirugía pueden ayudar a los pacientes a comprender mejor lo que implica su cirugía. Además, este modelo también aumentó el interés de los médicos sin experiencia en las enfermedades de la tiroides, lo que ayudó a la autoeducación clínica antes de explicar la condición y el procedimiento a los pacientes para mejorar la calidad del tratamiento y la planificación de la cirugía.
Se utilizó un cuestionario para evaluar la utilidad de los modelos personalizados de tiroides impresos en 3D. Les preguntamos a los pacientes cómo se sentían acerca del uso de modelos de tiroides impresos en 3D. Los pacientes mostraron las puntuaciones más altas en "comprensión de la enfermedad" (71,7%), seguido de "satisfacción general" (17,0%), "comprensión de la cirugía" (11,3%) y "sin valor" (0%). Estos resultados mostraron que la tecnología de modelado 3D puede ser valiosa para la educación en anatomía. Mostrar la relación posicional entre el tumor y la glándula tiroides puede ser la mayor ventaja de este modelo impreso en 3D.
El tiempo requerido para producir modelos impresos en 3D, que incluye el tiempo de modelado e impresión, es una de las principales limitaciones, a pesar de que la impresión 3D se ha integrado en la práctica médica moderna. El proceso de diseño para el modelo de replicación de la arteria pulmonar tomó 8 h, mientras que el proceso de impresión tomó 97 h y 14 min. Por lo tanto, a pesar de que se han realizado numerosos estudios sobre técnicas de modelado específicas del paciente (es decir, personalizadas) para diversos sitios o propósitos anatómicos (como guías quirúrgicas o entrenamiento clínico)20,21,22,23, su valor en el entorno clínico solo se ha demostrado en unos pocos estudios 16,24,25 . En este sentido, la ventaja de este modelo era que podíamos reducir el tiempo de creación de modelos 3D personalizados. Nuestro modelo de tiroides tardó solo 3 h en construirse y 8 h en imprimirse.
Una limitación de este estudio es que el modelo se basó en la tomografía computarizada de cabeza y cuello de los pacientes con cáncer de tiroides que participaron en este estudio, lo que incurrió en costos adicionales. Al mismo tiempo, los modelos impresos en 3D también incurren en costos adicionales. Por lo tanto, en futuras investigaciones, se pueden crear modelos de impresión personalizados específicos para el paciente para casos de pacientes únicos que contienen la información individual de la tiroides y el tejido circundante, que se puede utilizar para explicar los procedimientos adaptados a cada paciente y los beneficios de este modelo 3D. Además, también se deben considerar los costos adicionales que los pacientes deben pagar. Este costo debe sopesarse contra los beneficios reales del modelo y los costos adicionales que pagan los pacientes.
En conclusión, se ha propuesto un nuevo método para establecer un modelo personalizado impreso en 3D para la evaluación preoperatoria de la cirugía de tiroides, que es propicio para la discusión preoperatoria y reduce la dificultad de la cirugía de tiroides.
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Disclosures
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Acknowledgments
Este estudio fue apoyado por el Comité de Salud de la Provincia de Sichuan (Subvención No.20PJ061), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No.32101188) y el Proyecto General del Departamento de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Sichuan (Subvención No. 2021YFS0102), China.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D color printer | Zhuhai Sina 3D Technology Co | J300PLUS | Function support: automatic optimized placement, automatic model typesetting, automatic generation support, real-time layered edge cutting and printing, slice export, custom color thickness, custom placement / scaling, man hour evaluation, material consumption evaluation, print status monitoring, material remaining display, changing materials and colors, managing work queues, full / semi enclosed printing, automatic detection of model interference, layer preview, automatic pause of ink shortage, power failure to resume printing Automatic cleaning nozzle, automatic channel adaptation, ink change, automatic cleaning pipeline, follow-up laying. Range of optional materials: RGD series transparent molding materials, RGD series opaque molding materials, FLX series soft molding materials, ABS like series molding materials, high temperature resistant molding materials, Med series molding materials (first-class medical record certification), ordinary supporting materials, water-soluble supporting materials. |
| Mimics 21.0 software | Materialise, Belgium | DICOM data processing |
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