NOTA TÉCNICA
Guía práctica de
planificación e impresión 3D en Ortopedia y Traumatología
Bruno Gobbato,*
Daniel Moya,** Fernando Menor Fusaro,# Sergio Valente##
*Departamento de
Cirugía Ortopédica, Hospital São José, Jaraguá do Sul, SC, Brasil
**Servicio de Ortopedia
y Traumatología. Hospital Británico de Buenos Aires, Ciudad Autónoma de Buenos
Aires, Argentina
#Istituto Pediatrico
della Svizzera Italiana (IPSI), Bellinzona, Suiza
##Servicio de Ortopedia
y Traumatología, Hospital “Dr. Pedro T. Orellana”, Trenque Lauquen, Buenos
Aires, Argentina
RESUMEN
El acceso
a la tecnología de planificación e impresión 3D está destinado a tener un
impacto disruptivo en la práctica quirúrgica de la Ortopedia y Traumatología.
Sus ventajas incluyen una mejor comprensión de las lesiones por tratar, mayor
precisión técnica, acortamiento de los tiempos quirúrgicos, disminución de la
pérdida sanguínea y menor exposición a los rayos. El objetivo de esta
publicación es ofrecer una guía práctica paso a paso tomando como ejemplo el
tratamiento de una fractura desplazada del tercio medio de la clavícula.
Palabras clave: Planificación preoperatoria 3D;
impresión 3D; guías intraoperatorias personalizadas; fractura de clavícula.
Nivel de Evidencia: V
Practical Guide to 3D Printing and
Planning in Orthopedics and Traumatology
ABSTRACT
Access to
3D planning and printing technology is destined to have a disruptive impact on
the surgical practice of Orthopedics. Its advantages include a better
understanding of the injuries, greater technical precision, shortened surgical
times, decreased blood loss, and less exposure to X-rays. The aim of this
publication is to provide a practical step-by-step guide using the treatment of
a displaced middle-third clavicle fracture as an example.
Key words: 3D preoperative planning; 3D
printing; personalized intraoperative guides; clavicle fracture.
Level of Evidence: V
INTRODUCCIÓN
La impresión en tres dimensiones incluye un grupo de tecnologías
por medio de las cuales es posible generar objetos tridimensionales (3D) a
partir de información bidimensional.
En el ámbito de la medicina, la opción de replicar la anatomía en
forma 3D, en dispositivos electrónicos y poder luego imprimirlos, otorga una
posibilidad enorme para comprender las lesiones por tratar y planificar los
procedimientos.1,2
Las aplicaciones de esta técnica en el campo de la Ortopedia y
Traumatología incluyen el diagnóstico, la planificación quirúrgica, la creación
de guías intraoperatorias, la creación de implantes personalizados, el entrenamiento
quirúrgico, la impresión de ortesis y prótesis, y la bioimpresión.1-4
El objetivo de esta publicación es ofrecer una guía paso a paso
para realizar una planificación preoperatoria y la impresión del modelo y de
guías personalizadas. Utilizaremos como ejemplo un procedimiento de
osteosíntesis de fractura de clavícula. Algunas publicaciones recientes
informan sobre la utilidad de esta técnica en el tratamiento de las fracturas
desplazadas de clavícula y sus secuelas.5-9
Desde la obtención de
imágenes hasta la impresión 3D
El proceso que termina en la creación de un modelo 3D tiene varias
etapas (Figura 1).
Generación de imágenes
El primer paso es la adquisición de las imágenes. Estas deberán
cumplir requisitos mínimos de resolución, superposición y grosor de los cortes
para poder ser procesadas. En el campo de la Ortopedia y Traumatología,
habitualmente, se utilizan los estudios de tomografía computarizada (TC),
aunque también podrían usarse las imágenes de ecografías y resonancias
magnéticas.2 En este último caso, el resonador deberá ser configurado de manera
adecuada para no perder resolución.
La información generada por la TC es transferida a nuestra
computadora utilizando un archivo DICOM. Este es un protocolo estándar de
comunicación entre sistemas de información y, a la vez, un formato de
almacenamiento de imágenes médicas desarrollado por el American College of Radiology en asociación con la National Electrical Manufacturers
Association de los Estados Unidos.
Este lenguaje de comunicación DICOM estandariza el formato de las
imágenes de diferentes equipos (TC, resonancia magnética, ecografía) haciéndolo
compatible con otros dispositivos.
Procesamiento: ¿cómo
convertir los archivos DICOM en imágenes 3D?
La transformación y el diseño de las imágenes se realizan con
programas para la reconstrucción de imágenes de TC y resonancia magnética. Se
trata de programas de diseño asistido por computadora. Estos se conocen como
CAD (Computer-Aided Design). Permiten
transformar el archivo original DICOM en un archivo STL. Un buen ejemplo de
este tipo de “software” que se encarga de “apilar” los cortes de imágenes es el
programa InVesalius®. Se puede descargar gratuitamente de la red10 y utilizarlo
tanto con Mac® como con Windows®. Otra opción es el programa Horos®, pero en
este caso, es específico para Mac®, se puede descargar gratis de la red.11
Otra opción muy popular es el programa 3DSlicer®, también de acceso gratuito.12
Una opción paga es el programa Mimics®,13 muy versátil,
está aprobado por la Food and Drug Administration
y cuenta con el timbrado CE (Comunidad Europea).
Por medio de estos programas se pueden transformar las imágenes en
dos dimensiones de la TC en un modelo 3D virtual. El archivo STL resultante es
una malla de triángulos que permite definir la superficie y la forma de un
objeto. Cuanto menor tamaño tengan los triángulos o teselas (mosaicos) de esa
malla, mayor será la resolución del objeto y mayor el peso del archivo. La
sigla STL corresponde a Surface
Tessellation Language (Lenguaje de Superficies de Teselas) o también a Standard Triangle Language (Lenguaje
Estándar de Triángulos).
Los pasos principales de esta etapa son:
a)
Importación de las imágenes: el primer paso consiste en importar
los archivos DICOM al programa de procesamiento. Estos archivos son entregados
por los centros de imágenes habitualmente en un disco compacto o enviados por
vía electrónica. En el caso que tomamos como ejemplo, podremos ver las imágenes
habituales de TC por medio del programa de procesamiento InVesalius® (Figura 2A).
Para procesar las imágenes de las TC se
seleccionan las imágenes de los cortes axiales. Habitualmente son dos archivos,
las llamadas “ventana de partes blandas” y la “ventana ósea”. Se debe
seleccionar (Figura 2B) e importar la primera, es decir, la “ventana de partes
blandas”.
b)
Selección de áreas de interés (Segmentación): en este paso, se
seleccionarán los sectores óseos para poder visualizar adecuadamente la
clavícula y se descartarán las partes blandas. El programa permite, mediante un
control de desplazamiento situado a la izquierda de la pantalla (Figura 2C),
limitar la selección a las estructuras óseas. Lo seleccionado se verá en color
verde (Figura 2D).
Habitualmente está entre los valores de
170 a 200 píxeles de la ventana de selección. De esta manera, se seleccionarán
todos los cortes de la TC creando un modelo 3D. El resultado es un modelo 3D
digital que puede ser manipulado y orientado en distintas posiciones en el
espacio (Figura 3).
c)
Exportar el modelo 3D: el paso final de la etapa de procesamiento
consiste en guardar el archivo en formato STL.
Posprocesamiento: preparación del
modelo para planificar e imprimir
El formato STL define la geometría de objetos, pero a diferencia
de otros tipos de archivos, no incluye detalles de color, textura o propiedades
físicas. Es un formato adecuado para realizar un prototipado rápido, lo que es
definido como el grupo de técnicas que permiten fabricar un modelo a escala. Si
el objetivo es evaluar las imágenes en forma 3D en la computadora es
suficiente, pero si se pretende imprimir el modelo o utilizarlo en una
simulación de elementos finitos, será necesario un paso adicional llamado
“posprocesamiento”. En este paso, se realizan ajustes para mejorar la calidad
del modelo, mediciones y simulaciones quirúrgicas, y se lo deja en condiciones
de ser imprimido.
Una buena alternativa para esta etapa del proceso es el programa
Meshmixer®, que también puede ser descargado gratuitamente de la red.14
Se lo ha descrito como un cortaplumas suizo que contiene una serie de herramientas
que permiten hacer el acabado final del modelo.15 Estas funciones
incluyen la edición, la reparación e incluso el análisis de la viabilidad de
impresión. Puede ser utilizado tanto con Mac® como con Windows®.
Los pasos incluidos en esta etapa son:
a)
Importación del archivo STL: como en la etapa anterior, el primer
paso es importar el archivo 3D.
b)
Selección del área de interés: en nuestro caso, la clavícula.
c) Elección de la textura: el programa
brinda la opción de elegir entre distintas texturas para la superficie del
modelo.
d)
Separación de los fragmentos: se deben seleccionar y guardar, en
forma independiente, cada uno de los fragmentos para poder manipularlos con
libertad y para eventualmente imprimirlos (Figura 4). Este es un paso necesario
para imprimir los fragmentos. Para cumplir esta acción se debe seleccionar cada
fragmento en forma secuencial, utilizar la herramienta “Separar” del menú y
guardarlos por separado.
e)
Manipulación de los fragmentos: la herramienta “Transformar”
permite mover uno de los fragmentos (previamente seleccionado) en distintas
direcciones.
f)
Reducción de la fractura: la selección de los fragmentos y la
posibilidad de manipularlos permitirán efectuar la reducción de la fractura.
Una opción en una fractura de clavícula es seleccionar el fragmento medial y
llevarlo hacia el distal. Se selecciona el fragmento medial y, con la
herramienta “Transformar”, se puede manipular el fragmento en tres dimensiones.
Se puede comenzar con el plano coronal y, una vez obtenida una buena reducción,
se pasa a controlar la reducción en el plano axial (Figura 5).
g)
Simulación de la osteosíntesis: para realizar la simulación de la
osteosíntesis se debe comenzar por la importación del implante. Este puede ser
dibujado con un programa de CAD u obtenido de una base de imágenes. Luego se
selecciona la placa de osteosíntesis y, con la herramienta de edición
“Transformar”, se la manipula en el espacio hasta posicionarla en el lugar
preferido con respecto a la clavícula fracturada ya reducida. Es posible rotar
el montaje de la placa en la clavícula y observarlo en todos los planos hasta
lograr el posicionamiento adecuado (Figura 6). También se podrá medir cada uno
de los tornillos (Figura 7).
h)
Generación de guías personalizadas: la impresión 3D permite
producir guías específicas para casos concretos. Una vez definida la posición
de la placa y de los tornillos, lo más importante para generar la guía es la
dirección de estos últimos. Por lo tanto, se selecciona y se borra la placa de
osteosíntesis dejando a la vista la imagen de los fragmentos óseos y de los
tornillos. Luego se seleccionan y guardan, en forma separada, las imágenes del
fragmento medial y del fragmento lateral con los tornillos correspondientes,
para poder trabajar con más comodidad. Una vez seleccionado uno de los
fragmentos, se irá a la herramienta “Meshmix” y se seleccionará “Primitives”,
esta sección da la posibilidad de seleccionar entre distintas formas de objeto;
en nuestro caso, el más útil es un cubo que se utilizará para construir la guía
para los tornillos.
Una vez seleccionado, el cubo se posiciona sobre la clavícula
incluyendo a los tornillos cuya guía nos interesa confeccionar (Figura 8A) y se
selecciona “Crear nuevo objeto”. Luego se seleccionan “Editar” y “Transformar”
para poder darle la forma deseada a la guía. Así podremos definir la posición y
la dirección exactas de los tornillos seleccionados. En el caso del ejemplo, se
seleccionan dos tornillos cercanos al foco de fractura, considerando que, al
tener su posicionamiento exacto con respecto a la placa, se garantiza el
posicionamiento del resto de los tornillos (Figura 8B). El próximo paso
consiste en eliminar la imagen de la clavícula, previa selección, utilizando la
herramienta “boolean difference”. Así nos quedará aislada la imagen de la guía
con los tornillos (Figura 8C). El siguiente paso es eliminar la imagen de los
tornillos con la misma herramienta “boolean difference” y la guía quedará
terminada (Figura 8D).
El programa Meshmixer® ofrece esta alternativa simple para
confeccionar una guía, pero hay opciones mucho más complejas y detalladas.
Impresión
El paso final, cuando sea necesario, será la impresión del modelo.
En este caso, se tendrá una visión 3D más clara y se agregará la sensación
táctil. Además, disponer del modelo impreso tiene una gran utilidad educativa y
en la transmisión de información a los pacientes.
Si el modelo o las guías van a ser esterilizados para su uso
intraoperatorio, se deberá tener especial atención al tipo de material que se
utilizará y si este tiene registro sanitario para su uso en cirugía. La
esterilización puede alterar las propiedades de los modelos modificando el
tamaño de una guía de corte impresa e influyendo en la posición de una
osteotomía calculada en la computadora. Estos factores deben ser considerados y
previstos.
Para imprimir el modelo 3D será necesario utilizar un programa de
laminado donde determinaremos los parámetros de impresión, como altura de capa,
temperatura, densidad de relleno, velocidad, entre otros. Entre los programas
más populares de laminado, se encuentran Ultimaker Cura®16 y Slic3r®,17
ambos gratuitos y compatibles con Windows®, Mac® y Linux®.
La impresora 3D interpreta las coordenadas proporcionadas
digitalmente en el archivo STL y lo convierte en un archivo llamado Código G. Divide
al archivo STL en una secuencia de cortes transversales horizontales en dos
dimensiones de entre 25 a 100 μm, según la técnica utilizada. El objeto será
impreso en capas consecutivas comenzando por la base reconstruyéndolo a partir
de una serie de capas de dos dimensiones. De esta manera, se imprime una
réplica exacta del objeto original.17
La calidad del programa y de la impresora influirá en las
características del producto final. Otra variable por considerar es el tiempo
de impresión. Este variará según el volumen y la orientación del modelo, y la
resolución de la impresora.2 El volumen varía según el “relleno” que
se define para el objeto por imprimir.
Tipos de impresora 3D
Existen dos tipos de tecnologías para crear un objeto: la
sustractiva y la aditiva. En el primer caso, el material innecesario es
extraído por la impresora remedando la labor de un escultor que trabaja sobre
un bloque de piedra hasta obtener la escultura final. La tecnología aditiva, en
cambio, se caracteriza por sumar capa sobre capa. El mecanismo utilizado con
más frecuencia en la planificación operatoria es el aditivo por ser más barato
y rápido.
Existen tres grandes mecanismos de funcionamiento de las
impresoras aditivas:
-
Estereolitografía (SLA): primer método que se creó. Se aplica luz
ultravioleta a una cubeta que contiene resina. La luz es controlada por una
computadora y va polimerizando la superficie de la resina en la cubeta dando
forma al objeto. Por medio de un pistón que desciende, se va exponiendo más
resina a la luz y se van creando las distintas capas sucesivas.
-
Sinterización selectiva por láser (SSL): sinterizar implica
fabricar objetos mediante el prensado de polvos u otras materias que
previamente han sido calentadas sin llegar a la fusión. También se aplica una
luz ultravioleta, pero en este caso, actúa sobre un polvo, en lugar de hacerlo
sobre resina líquida. Se produce una adición por capas solidificando al
material.
-
Modelado por Deposición Fundida (MDF): en este caso, el material
utilizado es un filamento de plástico que pasa por una resistencia en una
boquilla que lo calienta por sobre los 200 °C y lo funde para depositarlo sobre
una plataforma móvil. Esta tecnología es más sencilla y accesible. Se puede
hacer un símil en su forma de funcionar con una manga de repostería en la que
el material es expulsado por la presión de las manos del operador y el
movimiento de estas genera las formas. En este caso, la impresora 3D tiene un
extrusor y motores que van determinando la movilidad de este y de la superficie
sobre la que cae el material haciendo que la deposición del material genere la
forma deseada en cada capa.
CONSIDERACIONES FINALES
Se ha comparado el efecto que tendrán la planificación y la
impresión 3D en medicina, con el advenimiento de la radiología.1 El uso de esta
tecnología encontrará seguramente, con el paso del tiempo, su rol preciso en
nuestra práctica. Consideramos de fundamental importancia que el cirujano se
involucre en el uso y desarrollo de estas nuevas herramientas que serán de
empleo habitual en el quirófano del futuro.
BIBLIOGRAFÍA
1.
Skelley NW, Smith MJ,
Ma R, Cook JL. Three-dimensional printing technology in orthopaedics.
J Am Acad Orthop Surg
2019;27(24):918-25. https://doi.org/10.5435/JAAOS-D-18-00746
2.
Green N, Glatt V, Tetsworth K, Wilson LJ,
Grant CA. A Practical guide to image processing in the creation of 3D models
for orthopedics. Tech Orthop
2016;31(3):153-63. https://doi.org/10.1097/BTO.0000000000000181
3. Levesque JN, Shah A, Ekhtiari
S, Yan JR, Thornley P, Williams DS. Three-dimensional
printing in orthopaedic surgery: a scoping review. EFORT Open Rev 2020;5(7):430-41. https://doi.org/10.1302/2058-5241.5.190024
4. Tetsworth K, Block S, Glatt
V. Putting 3D modelling and 3D printing into practice: virtual surgery and
preoperative planning to reconstruct complex post-traumatic skeletal
deformities and defects. SICOT J 2017;3:16. https://doi/org/10.1051/sicotj/2016043
5. Roner S, Bersier P, Fürnstahl P, Vlachopoulos L, Schweizer A, Wieser K. 3D
planning and surgical navigation of clavicle osteosynthesis
using adaptable patient-specific instruments. J Orthop Surg
Res 2019;14(1):115. https://doi/org/10.1186/s13018-019-1151-8
6. Vlachopoulos L, Schweizer A,
Meyer DC, Gerber C, Fürnstahl P. Computer-assisted
planning and patient-specific guides for the treatment of midshaft
clavicle malunions. J Shoulder Elbow
Surg 2017;26(8):1367-73. https://doi.org/10.1016/j.jse.2017.02.011
7. Kim HN, Liu XN, Noh KC. Use of a real-size
3D-printed model as a preoperative and intraoperative tool for minimally
invasive plating of comminuted midshaft clavicle
fractures. J Orthop
Surg Res 2015;10:91. https://doi.org/10.1186/s13018-015-0233-5
8. Menor Fusaro F, Di Felice Ardente P, Pérez Abad M, Yanguas Muns C. Three-dimensional
imaging, modeling, and printing in the correction of a complex clavicle malunion. JSES Int 2021;5(4):729-33. https://doi.org/10.1016/j.jseint.2021.04.008
9.
Cheah JW, Goodman JZ, Dang AC. Clavicle
fracture malunion treated with an osteotomy guided by
a three-dimensional-printed model: A case report. JBJS Case Connect 2018;8(4):e98. https://doi.org/10.2106/JBJS.CC.17.00304
10. https://invesalius.github.io/
[Consulta: agosto 2021].
11. https://horosproject.org/download-horos/
[Consulta: agosto 2021].
12. https://www.slicer.org/ [Consulta:
agosto 2021].
13. https://www.materialise.com/es/medical/software/mimics-innovation-suite/products-services/mimics
[Consulta: agosto 2021].
14. https://www.meshmixer.com/
[Consulta: agosto 2021].
15. https://bitfab.io/blog/meshmixer/
[Consulta: agosto 2021].
16. https://ultimaker.com/es/software/ultimaker-cura
[Consulta: agosto 2021].
17. Gross BC, Erkal
JL, Lockwood SY, Chen C, Spence DM. Evaluation of 3D printing and its potential
impact on biotechnology and the chemical sciences. Anal Chem 2014;86(7): 3240-53. https://doi.org/10.1021/ac403397r
ORCID de D. Moya: https://orcid.org/0000-0003-1889-7699
ORCID de F. Menor Fusaro: https://orcid.org/0000-0001-9439-8555
ORCID de S. Valente: https://orcid.org/0000-0002-1567-5153
Recibido
el 6-8-2021. Aceptado luego de la evaluación el 19-8-2021 • Dr. Bruno Gobbato • bgobbato@gmail.com
• https://orcid.org/0000-0002-7779-0659
Cómo
citar este artículo: Gobbato B, Moya D, Menor Fusaro
F, Valente S. Guía práctica de planificación e impresión 3D en Ortopedia y
Traumatología. Rev Asoc Argent Ortop
Traumatol 2022;87(1):122-130. https://doi.org/10.15417/issn.1852-7434.2022.87.1.1416
Información del artículo
Identificación: https://doi.org/10.15417/issn.1852-7434.2022.87.1.1416
Fecha de publicación: Febrero, 2022
Conflicto de intereses: Los autores no declaran conflictos de intereses.
Copyright: © 2022, Revista de la
Asociación Argentina de Ortopedia y Traumatología.
Licencia: Este artículo está bajo una
Licencia Creative Commons
Atribución-No Comercial-Compartir Obras Derivadas Igual 4.0 Internacional.
(CC-BY-NC-SA 4.0)