INVESTIGACIÓN CLÍNICA
Impresión 3D
aplicada a la planificación y la resolución quirúrgicas en la cirugía
ortopédica. Serie de casos
Mauro R. Vivas,
Esteban Raiti Sposato, Pablo Bizzarri, Ezequiel E. Román, Ariel Lías
Sector de
Miembro Inferior, Hospital de Alta Complejidad El Cruce SAMIC, Buenos Aires,
Argentina
RESUMEN
Introducción: La popularidad de la cirugía asistida
con impresión 3D ha crecido en los últimos 10 años. El poco empleo en nuestro
medio no permite aprovechar para el paciente todas las aplicaciones y los
beneficios de esta herramienta. Materiales y Métodos: Estudio retrospectivo sobre enfermedad del miembro inferior
en pacientes tratados en nuestra institución analizando cada etapa del proceso
y su utilidad en la planificación, la ejecución quirúrgica y el desarrollo de
implantes. Resultados: Se
describen 12 casos en los que se utilizó la impresión 3D para tratar defectos
acetabulares, resecciones tumorales óseas y secuelas en huesos largos. Conclusiones: Nuestra serie y la bibliografía revisada
demuestran que la cirugía asistida con impresión 3D mejora la predictibilidad
con lo planificado y reduce los tiempos quirúrgicos, el sangrado y la radiación
intraoperatoria, a un costo accesible. Además, no se han comunicado
complicaciones asociadas a esta tecnología.
Palabras clave: Impresión 3D; fabricación aditiva;
modelos anatómicos; implantes a medida.
Nivel de Evidencia: IV
3D Printing for Surgical Planning
and Resolution in Orthopaedic Surgery. Case Series
ABSTRACT
Introduction: The popularity of 3D
printing-assisted surgery has surged over the previous decade. The tool’s
limited use in our context prevents us from taking advantage of all of its
applications and benefits for the patient. Materials and
Methods: A
retrospective study on lower limb disease in patients treated at our
institution, analyzing each stage of the procedure and its applicability in
planning, surgical execution, and implant development. Results: We
describe 12 cases in which 3D printing was used to
treat acetabular defects, bone tumor resections, and long bone sequelae. Conclusions: Our series and the literature reviewed demonstrate
that 3D printing-assisted surgery improves plan predictability while also
reducing surgical times, bleeding, and intraoperative radiation at a reasonable
cost. Furthermore, no complications from this technology have
been reported.
Keywords: 3D printing; additive
manufacturing; anatomical models; custom implants.
Level of Evidence: IV
INTRODUCCIÓN
La
impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, fue una técnica
pionera cuando se introdujo, en la década de 1980, con fines industriales y de
ingeniería.1 La tecnología de
impresión 3D tiene cada día más aplicación en el sector de la salud, debido al
costo cada vez menor y su mayor accesibilidad. Existe un interés creciente que
se ve reflejado en el aumento de publicaciones desde 2014.2 En la actualidad, la impresión 3D de los
segmentos óseos por tratar se ha convertido en una herramienta que mejora la
interpretación, planificación y ejecución del acto quirúrgico, principalmente
en cuadros complejos o atípicos.3
El diseño de las impresiones comienza con las imágenes DICOM (Digital Imaging and COmmunications in
Medicine) de tomografía o resonancia magnética a partir de las cuales se
realiza la segmentación y la posterior impresión de la región por tratar. Desde
el punto de vista costo-beneficio, la cirugía asistida con impresión 3D es una
alternativa atractiva para aquellas instituciones que no pueden solventar
procedimientos navegados.4 A partir
de estos modelos digitales, también, es posible el desarrollo de instrumentos
específicos para el paciente, como guías de corte, montajes finales de tutor
externo o guías para la colocación de implantes, descritos, por primera vez, en
1999, por Radermacher y cols.5
Debido a
que aún no es una práctica habitual en el campo ortopédico, la experiencia
tanto del cirujano como de los bioingenieros es poca y requiere
retroalimentación constante entre las necesidades quirúrgicas del cirujano y
las alternativas que el bioingeniero puede ofrecer.
Nuestro
objetivo es describir una serie de casos en los que se utilizó la impresión 3D
para la planificación y resolución quirúrgicas de pacientes con un cuadro
ortopédico, analizando cualitativamente las etapas en las que se utilizó, sus
beneficios y complicaciones.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se llevó
a cabo un estudio de una serie de casos en el que se analizó, de manera
retrospectiva, a pacientes tratados en el Sector de Miembro Inferior del
Servicio de Ortopedia y Traumatología de nuestra institución desde su inicio
hasta marzo de 2022. Los criterios de inclusión definidos fueron: afección en
el miembro inferior (de pelvis a pie) y uso de impresión 3D en cualquier etapa
del proceso asistencial. Los criterios de exclusión fueron: seguimiento <2
años en pacientes sometidos a una artroplastia.
Se
recolectó la siguiente información de cada caso: proceso de diseño y
desarrollo, momento de uso de la impresión 3D (planificación, ejecución o
diseño protésico), tipo de diseño para la ejecución y si hubo complicaciones
asociadas al uso de las impresiones.
El
proceso de trabajo para el diseño de las impresiones fue el siguiente (Figuras 1 y 2):
1.
Análisis
de imagen en RadiAnt.
a)
Tomografías
(con contraste), con cortes de 1 mm de espesor y matriz cuadrada de 512 x 512.
b)
Resonancia,
sin parámetros específicos de adquisición de imagen.
2.
Segmentación
y modelado en 3D Slicer.
3.
Posproceso
en MeshMixer y Blender.
4.
Compilado
de código en Simplify para impresión aditiva del modelo 3D de prueba con o sin
diseño de guías o implante en AutoDesk Fusion.
5.
Simulación
quirúrgica y evaluación de resultados en los modelos.
6.
Diseño de
guías e implantes en AutoDesk Fusion según pruebas.
7.
Procedimiento
quirúrgico en el paciente.
Los pasos
4, 5 y 6 se pueden reiterar hasta lograr el diseño que cumpla con las
especificaciones del caso por resolver. Durante el proceso, se realizaron
reuniones presenciales o virtuales con bioingeniería. Cuando los casos eran más
complejos, se utilizaba, además, un registro diario escrito de avances y
obstáculos en GoogleDocs.
RESULTADOS
Nuestra
serie incluyó 12 casos en los que se utilizó la impresión 3D para el
diagnóstico, la planificación y el tratamiento. En ocho pacientes, el proceso
se realizó íntegramente en nuestro hospital y, en los cuatro restantes, fue
necesaria la intervención de otra institución para la impresión de implantes en
titanio. Respecto a los instrumentos específicos para el paciente, se diseñaron
guías de corte en cinco casos y un molde a medida para espaciador con cemento
antibiótico. Se fabricaron tres implantes acetabulares a medida, dos de ellos
requirieron la confección adicional de guías para la colocación de tornillos (Figura 3).
En cuanto
a los pacientes, cinco eran mujeres y siete, hombres. La edad promedio era de
39 años. En los pacientes jóvenes (promedio 26 años), fueron más frecuentes la
enfermedad tumoral o las secuelas, mientras que, en los mayores (promedio 60
años), lo más habitual fueron las complicaciones de artroplastia.
Los cuadros tratados fueron: corrección de
deformidades postraumáticas, secuela de pie bot, resecciones oncológicas óseas
y reconstrucción de defectos acetabulares complejos (Tabla).
Se
realizó la planificación digital en todos los pacientes utilizando los
programas disponibles principalmente para mediciones y determinación de
márgenes oncológicos, ángulos de osteotomía, cuantificación del volumen de
injerto requerido o stock óseo disponible para la colocación de implantes. Los
procedimientos quirúrgicos se desarrollaron según lo planificado y con los
biomodelos impresos. No fue necesario ningún procedimiento intraquirúrgico
adicional a los planificados. En los pacientes con enfermedad tumoral y
aloinjerto, el plan quirúrgico inicial se modificó luego de la disponibilidad de
los biomodelos; estas modificaciones consistieron principalmente en la
localización de los planos de resección (Figura 4).
En casos de reconstrucción con aloinjerto, fue posible la conformación de dos
equipos quirúrgicos simultáneos, uno a cargo de la resección oncológica y otro,
del procesamiento del injerto de banco; ocurrió algo similar en el caso del
espaciador de cemento a medida, donde un equipo estuvo a cargo de la limpieza,
mientras otro conformaba el espaciador.
Una
situación similar se dio con el montaje previo del tutor externo circular (Figura 5), el cual se diseñó sobre un biomodelo
impreso y luego fue esterilizado ensamblado. En el momento de la intervención,
únicamente fue necesario posicionar los tornillos de Schanz en los sitios
previstos según la planificación 3D y acoplarlos a los anillos.
El uso de
la radioscopia se limitó a la comprobación de los planos de osteotomía y la
posición de implantes e injertos al final de la intervención.
Se necesitaron, en promedio, cinco reuniones entre
profesionales médicos y de bioingeniería por paciente. Cuando se desarrollaron
implantes o instrumentos específicos, se mantuvieron más reuniones que cuando
solo se realizó la planificación digital.
Ningún
implante personalizado estaba flojo a los dos años de seguimiento.
En la
serie de casos descritos, no se produjeron complicaciones posquirúrgicas
asociadas al uso de esta herramienta en la ejecución, tanto en la colocación de
implantes como en las guías de corte.
DISCUSIÓN
La
impresión 3D es una herramienta que brinda información para educación y
capacitación de profesionales, como así también para la planificación y el
tratamiento en condiciones quirúrgicas complejas o atípicas. En una revisión de
227 artículos, se demostró que la aplicación de esta tecnología disminuye el
tiempo quirúrgico, mejora los resultados y reduce la exposición a la radiación.6 Esto ocurrió también en nuestra serie, ya
que la conformación de dos equipos simultáneos permitió reducir los tiempos de
procesamiento de injerto o conformación de espaciadores. El uso de guías de
corte derivó en la disminución del tiempo total de radioscopia, ya que no fue
necesario determinar el nivel de las osteotomías ni realizar nuevas mediciones
durante la cirugía.
Contar
con el tutor externo circular ya conformado permitió reducir al mínimo el
tiempo de ensamblaje intraquirúrgico.
En una
publicación de 2019, se analizó el cambio de interpretación y planificación de
fracturas de tibia distal por parte de cirujanos principiantes y
experimentados. Luego de utilizar la impresión 3D para la planificación, el 74%
y el 9%, respectivamente, cambiaron su planificación y abordaje.7 En nuestra serie, los biomodelos nos
permitieron prever dificultades y mejorar la precisión del plan quirúrgico,
como en el caso de deformidades triplanares donde se ensayaron diversas
configuraciones de tutor circular hasta lograr un diseño adecuado y compatible
con las osteotomías propuestas, o los casos de aloinjerto de banco en los que
se modificaron los planos de corte para maximizar la compatibilidad anatómica
entre donante y paciente.
El diseño
de guías de corte para resección de tumores en la pelvis fue analizado en un
estudio experimental con 10 especímenes cadavéricos y se halló un error medio
no estadísticamente significativo comparado con las cirugías navegadas.8 Además, reduce la curva de aprendizaje y
la experiencia acumulada para lograr resultados similares entre cirujanos
jóvenes y profesionales especializados.7 En
nuestros pacientes, las guías permitieron lograr una correcta reproducibilidad
entre lo planificado y lo ejecutado en el quirófano. Otro uso para las guías de
corte fue lograr una adecuada congruencia en las reconstrucciones con
aloinjerto, en pacientes con resecciones oncológicas, de acuerdo con los principios
de las técnicas quirúrgicas, para maximizar las posibilidades de integración.8,9
El
material empleado en las impresiones para la planificación fue PLA (ácido
poliláctico), un plástico proveniente de materias primas, como el almidón, la
tapioca o la caña de azúcar. Este plástico es ecológico y renovable, y a cierta
temperatura y humedad, puede ser biodegradable, cualidad que lo convierte en
seguro para el medio ambiente. El material elegido para las guías de corte fue
PEEK (polieteretercetona), un polímero que se utiliza para el diseño y la
fabricación de prótesis e implantes con adecuada resistencia mecánica y
biocompatibilidad, ya que contamos con una impresora apta para este material.10,11
La
aplicación de tecnología 3D ofrece beneficios cualitativos y de percepción
táctil que otros métodos no brindan; en este punto, es donde se dificulta la
comparación con otras tecnologías de vanguardia, como la navegación, la
realidad aumentada y la robótica. Hasta la fecha, no hemos encontrado estudios
que comparen los resultados de todas estas técnicas entre sí.
Consideramos
como debilidades de este análisis la muestra pequeña y de composición
heterogénea. En el caso de implantes personalizados, el seguimiento a largo
plazo es solo a dos años (1 caso con seguimiento de 5 años).
Al
analizar las desventajas o complicaciones en las cirugías asistidas con
impresión, no hemos encontrado complicaciones asociadas al uso de esta
herramienta; por lo tanto, la consideramos una herramienta inocua para el
procedimiento. Como desventajas podemos afirmar que, al encontrarnos en etapa
de aprendizaje, la planificación y el diseño requirieron de muchas horas de
trabajo y retroalimentación con los bioingenieros para lograr el resultado
esperado.
Es
importante remarcar que es el primer programa de cirugía asistida con impresión
3D con cirujanos y bioingenieros de la misma institución de carácter público en
el país.
CONCLUSIONES
La
impresión 3D como herramienta complementaria de la planificación y ejecución de
procedimientos quirúrgicos mejora la reproducibilidad entre lo planificado y lo
ejecutado en el acto quirúrgico reduciendo los tiempos de cirugía, la
exposición a la radiación y permitiendo detectar anticipadamente posibles
complicaciones. También debemos remarcar que es una herramienta que no
representa costos elevados, como la cirugía navegada, y que, hasta la fecha, no
se ha comunicado ninguna complicación asociada a su uso.
BIBLIOGRAFÍA
1.
Segaran N, Saini G, Mayer JL, Naidu S, Patel I, Alzubaidi S, et al. Application of 3D printing in
preoperative planning. J Clin Med 2021;10(5):917. https://doi.org/10.3390/jcm10050917
2. Weidert S, Andress S, Suero E, Becker C, Hartel M, Maren Behle, et al.
3D-Druck in der unfallchirurgischen Fort-und Weiterbildung. Unfallchirurg 2019;122:444-51. https://doi.org/10.1007/s00113-019-0650-8
3.
Feng Y, Zhu S, Mei D, Li J,
Zhang J, Yang S, et al. Application of 3D printing technology in bone tissue engineering:
A review. Curr Drug Deliv
2021;18(7):847-61. https://doi.org/10.2174/1567201817999201113100322
4. Mardis NJ.
Emerging technology and applications of 3D printing in the medical field. Mo Med
2018;115(4):368-73. PMID: 30228770
5.
Radermacher K, Portheine F, Anton M, Zimolong A, Kaspers G, Rau G, et
al. Computer assisted orthopaedic surgery with image
based individual templates. Clin Orthop Relat Res 1998;(354):28-38. https://doi.org/10.1097/00003086-199809000-00005
6. Tack P, Victor J, Gemmel P, Annemans L. 3D-printing techniques in a medical setting: a
systematic literature review. Biomed Eng OnLine
2016;15(1):115. https://doi.org/10.1186/s12938-016-0236-4
7. Hwa Jun
Kang, Bom Soo Kim, Seung
Min Kim, Yu Mi Kim, Hyong Nyun Kim, Jae Yong Park, et al. Can
preoperative 3D printing change surgeon’s operative plan for distal tibia
fracture? Biomed Res Int
2019:2019:7059413. https://doi.org/10.1155/2019/7059413
8. Mediavilla-Santos
L, García-Sevilla M, Calvo-Haro JA, Ruiz Alba MT, Pérez-Mañanes R, Pascau
González J, et al. Validación de los modelos de impresión 3D
paciente-específicos para cirugía ortopédica oncológica pélvica. Rev Esp Cir Ortop Traumatol
2022;66(5):403-9. https://doi.org/10.1016/j.recot.2022.07.011
9. Gauci MO.
Patient-specific guides in orthopedic surgery. Orthop Traumatol Surg Res
2022;108(1S):103154. https://doi.org/10.1016/j.otsr.2021.103154
10. Czyżewski
W, Jachimczyk J, Hoffman Z, Szymoniuk M, Litak J, Maciejewski M, et al. Low-cost cranioplasty-A
systematic review of 3D printing in medicine. Materials (Basel) 2022;15(14):4731. https://doi.org/10.3390/ma15144731
11. González-Henríquez CM, Sarabia-Vallejos MA, Rodriguez-Hernandez J. Polymers for
additive manufacturing and 4D-printing: Materials,
methodologies, and biomedical applications. Progress in Polymer
Science 2019;94:57-116.
https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2019.03.001