Nuestra experiencia con impresión 3D doméstica en Cirugía Ortopédica y Traumatología. Hazlo tú mismo

w w w . e l s e v i e r . e s / r s l a o t

Revista

latinoamericana

de

cirugía

ortopédica

Original

Nuestra

experiencia

con

impresión

3D

doméstica

en

Cirugía

Ortopédica

y

Traumatología.

Hazlo

tú

mismo

Rubén

Pérez-Ma ˜nanes

_,

_José

_Calvo-Haro

_,

_Juan

_Arnal-Burró

_,

Francisco

Chana-Rodríguez

_,

_Pablo

_Sanz-Ruiz

_y

_Javier

_{Vaquero-Martín}

a_{ServiciodeCirugíaOrtopédicayTraumatología,HospitalGeneralUniversitarioGregorioMara ˜nón,Madrid,Espa ˜na} b_{DepartamentodeCirugía,FacultaddeMedicina,UniversidadComplutensedeMadrid,Madrid,Espa ˜na}

i n f o r m a c i ó n

d e l

a r t í c u l o

Recibidoel8dejuniode2016 Aceptadoel17dejuniode2016 On-lineel21dejuliode2016 Palabrasclave: Impresión3D Planificaciónpreoperatoria Comunicación Modelos Guíasquirúrgicas

r

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Laimpresión3Dposibilitalatraslacióndeunaplanificaciónvirtualamodelostangibles. Elusohospitalariodelasimpresoras3Dcomercializadasparausodomésticofacilitala obtencióndeformaautónoma(doityourself)dereproduccionesrealistasalmínimocoste. Objetivo:Exponernuestrametodologíaparalatraslaciónclínicadelaimpresión3D domés-tica al campo de la Cirugía Ortopédica y Traumatología, definir sus indicaciones y aplicacionesespecíficasdeacuerdoconlaexperienciaclínica.

Materialymétodos:Estudioanalíticoobservacionalprospectivode63casosintervenidosen nuestroserviciodesdeela ˜no2014,mometodesdeelquelaimpresión3Ddomésticaestá incluidaenelprocesoasistencial.Variablescomoelgradodesatisfacciónpercibidapor lospacientes,laprecisión,eltiempoolaexposiciónaradiacionesionizantesdurantela intervenciónsonanalizadas.

Resultados: Sedefineun flujodetrabajo hasta laobtención delmodelo impresoen3D medianteelusodeprogramasdelibreaccesoeimpresoras3Ddomésticas,conunamejoría entodaslasvariablesincluidasenelestudio.

Conclusiones:Laimpresión3DdomésticatienenumerosasaplicacionesenCirugía Ortopé-dicayTraumatología.Laexperienciaclínicahapermitidodefinirunflujodetrabajocon unosresultadosclínicossatisfactorios.

©2016Federaci ´ondeSociedadesyAsociacionesLatinoamericanasdeOrtopediay Traumatolog´ıa.PublicadoporElsevierEspa ˜na,S.L.U.Esteesunart´ıculoOpenAccessbajo lalicenciaCCBY-NC-ND(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

∗ _{Autorparacorrespondencia.}

Correoelectrónico:rubenperez.phd@gmail.com(R.Pérez-Ma ˜nanes).

http://dx.doi.org/10.1016/j.rslaot.2016.06.004

2444-9725/©2016Federaci ´ondeSociedadesy AsociacionesLatinoamericanasdeOrtopediayTraumatolog´ıa.PublicadoporElsevier Espa ˜na,S.L.U.Esteesunart´ıculoOpenAccessbajolalicenciaCCBY-NC-ND(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Our

experience

with

domestic

3D

printing

in

Orthopedic

Surgery

and

Traumatology.

Do

it

yourself

Keywords: 3Dprinting Preoperativeplanning Communication Models Surgicalguides

a

b

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3Dprintingallowstranslationofavirtualplanningtotangiblemodels.Domestic3Dprinters inhospitalfacilitateobtainingautonomously(«doityourself»)realisticreproductionsat minimumcost.

Objective: Todescribeourmethodologyforclinicaltranslationofdomestic3Dprintingin OrthopedicSurgeryandTraumatology,defineindicationsandspecificapplications accor-dingtoclinicalexperience.

Materialsandmethods: Aprospectiveobservationalanalyticalstudyof63patientstreated inourservicefrom2014inwhichdomestic3Dprintingisincludedinthecareprocess. Variablessuchasdegreeofsatisfactionperceivedbypatients,accuracy,timeorexposureto ionizingradiationduringsurgeryareanalyzed.

Results:Aworkflowisdefinedtoobtaining3Dprintedmodelusingfreelyavailableprograms anddomestic3Dprinters,andvariablesincludedinthestudyimproved.

Conclusions: Domestic3DprintinghasnumerousapplicationsinOrthopedicSurgeryand Traumatology.Clinicalexperiencehasalloweddefiningaworkflowwithsatisfactoryclinical results.

©2016Federaci ´ondeSociedadesyAsociacionesLatinoamericanasdeOrtopediay Traumatolog´ıa.PublishedbyElsevierEspa ˜na,S.L.U.Thisisanopenaccessarticleunderthe CCBY-NC-NDlicense(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Introducción

Laimpresión3Desunatecnologíaqueestárevolucionandoel campodelamedicinay,comonopodíaserdeotraforma,tanto laCirugíaOrtopédicacomolaTraumatologíanosonajenasa esteprogreso1_{.Enestecontexto,elEmergencyCareResearch} Institutesituóela ˜nopasadoalaimpresión3Denelsegundo puestodelas10tecnologíasdemayorimpactosanitario2_yla FoodandDrugAdministrationdeEstadosUnidoshapublicado recomendacionestécnicasparasutraslaciónclínica3_.

Losavancesenreconstruccióntridimensionaldelas imá-genesradiológicashanpermitidodisponerdeherramientas virtualespara laplanificaciónquirúrgica,pero esla impre-sión3D laqueposibilita latraslación de unaplanificación virtualamodelostangibles4,5_{.Existenmuchostiposde} impre-sión3D,aunquesonlasaditivas,yespecialmenteelmodelado pordeposiciónfundidadematerialtermoplástico(FDM:fused depositionmodeling)elqueestáteniendomejoracogidaenel sectorempresarialydoméstico.Enlosúltimosa ˜nossehan publicadorevisionesdelosmétodosnecesariosparasu intro-ducciónennuestrocampo,asícomoejemplosdelasprimeras aplicacionesyusosespecíficos6–9_.

Elusohospitalariodelasimpresoras3Dcomercializadas parausodomésticopermiteabaratardeforma muy signifi-cativaelcostedeestatecnología,facilitandolaobtenciónde forma autónoma (do ityourself) dereproducciones realistas almínimocoste.Laimpresiónen3Ddemodelos anatómi-cos,generarinstrumental o ayudas quirúrgicasimpresas a medida yadaptadasasituaciones específicas,ofacilitar el entrenamientodepersonalmédicomediantereproducciones personalizadasabreunhorizontedeposibilidadesalliberar alespecialista de lasrestricciones que impone el catálogo

comercial,yaquepuedeproponer,fabricar,evaluarsus pro-pias soluciones,yparticipar enlíneasemergentes comola bioimpresióndetejidosyórganosolamanufacturade implan-tesamedida10–13_{.Entrelosobjetivosdeestetrabajoestáno} soloel exponerlametodologíapara latraslaciónclínicade la impresión3Ddomésticaalcampo delaCirugía Ortopé-dicayTraumatología,sinotambiéneldefinirsusindicaciones y aplicaciones específicas de acuerdo con la experiencia clínica.

Metodologíaconlaimpresión3Ddoméstica ennuestrocentro

Entodos loscasos sedisponía deestudiosradiológicospor lotes (tomografía computarizada [TC], resonancia magné-tica [RM]) solicitados para el diagnóstico, y previamente al inicio del proceso los pacientes fueron informados y firmaron el consentimiento informado. Mediante pro-gramas de acceso libre: OsiriX (http://osirix-viewer.com), Horos (http://www.horosproject.org), InVesalius (http://

svn.softwarepublico.gov.br/trac/invesalius), 3Dslicer (http://

slicer.org) MeVisLab (http://www.mevislab.de/download/),

Meshmixer y 123DDesign(Autodesk,Inc, EE.UU.) serealizó el procesamiento de las imágenesDICOM hasta conseguir la reconstruccióndeunamallatridimensional.Laobtenciónde lamallatridimensionalpermitiólaediciónyposterior impre-siónenmaterialtermoplástico, lograndounmodelo exacto delaanatomíadelpaciente,asícomo,sielcasolorequería, dise ˜nodeinstrumentalparanavegaciónoguíasquirúrgicas parasimulacióne,incluso,parausointraoperatorio.

Lasimpresoras3DdomésticasdetecnologíaFDMutilizadas han sido:DaVinci1.0(XYZPrinting), Witbox 2(bq), Ultima-ker Extended 2+ (Ultimaker); y los materiales acrilonitrilo

butadienoestireno(ABS)yácidopoliláctico(PLA).Esteúltimo esel másutilizadoalserbiodegradable,procederde recur-sosrenovablescomo elmaízysufrirmenorretracciónque elABS.EntrelasdesventajasdelPLAdestacarlabaja tempe-raturadedeformidad(55◦C)queobligaaemplearmétodos deesterilizaciónespecíficos,como elóxidodeetileno,para evitaralterarsuspropiedadessiserequieresudisponibilidad intraoperatoria.

Nuestrasindicacionesyexperiencia

Serealizaunestudioanalíticoobservacionalprospectivode loscasosclínicosintervenidosennuestroserviciodesde el a ˜no2014,momentoenelquelaimpresión3Ddomésticaes incluidadentrodelprocesoasistencial.Estametodologíase haaplicado hasta lafecha aun totalde 63 casos: oncolo-gíaortopédica(18casos),fracturas (15casos),deformidades angulares-torsionales (12 casos), displasias acetabulares (6casos),deformidadesdelraquis(5 casos),recambios pro-tésicos(4casos)ydeformidaddelantepié(2casos).Entodos los casos se utilizaron los modelos impresos en 3D de la localizaciónanatómicacomoherramientacomunicativa,para planificaciónquirúrgicaoinclusoparaelpremoldeadode pla-casdeosteosíntesisenelcasodelasfracturas.Sedise ˜narony utilizaronguíasquirúrgicasparaposicionamientoe introduc-cióndesistemasdefijaciónenlasdeformidadesdelraquis, orealizacióndeosteotomíasmultiplanaresendeformidades angulares,torsionalesyenloscasosoncológicos.Enel27%de loscasosoncológicos(5/18)ademásdeutilizacióndeguías, seutilizó lacirugía asistida porimagen, conocida general-mentecomonavegaciónquirúrgica,graciasalaposibilidad de dise ˜noe impresión3D delinstrumental necesario para identificarelposicionamiento conunsistemade detección multicámara instalado enel quirófano(OptiTrack, Natural-PointInc.,EE.UU.).

Losmodelosanatómicos,instrumentaloguíasquese uti-lizannuncason implantados,sinoque seesterilizanenel propiohospitalparaserempleadosenelentornode quiró-fano.Sonherramientasquecomplementanyayudandurante laoperaciónyluegosedesechan(fig.1).

Figura1–Modelos3Ddecasosclínicostratados enelcentro.

Para el análisisde resultadosseha tenidoencuentala variable calidadpercibida porel paciente: sehan incluido enlasencuestasdesatisfacciónentregadasalospacientes duranteelingreso2cuestionesreferentesalaimpresión3D, enlas quelaescala numérica de1a 5reflejade menora mayorelgradodesatisfacción:1)aportacióndelosmodelos 3Dalainformaciónrecibidasobresuenfermedad,2) apor-tacióndelosmodelos3Dalainformaciónrecibidasobresu tratamiento. Otra variable tenida encuenta eslaprecisión quirúrgica, con una valoración de la corrección objetivada endeformidadesangulares,delacolocacióndelossistemas defijaciónendeformidadesdelraquis,odeladefiniciónde márgenesdereseccióntumoralmedianteguíasquirúrgicaso sistemasdeposicionamientoguiadoporimagenenlos pro-cesosoncológicos. Otrasvariables consideradashansido el tiempoquirúrgico,trasevaluacióndelosregistrosreflejados enlashojasde intervención,y laexposiciónaradiaciones ionizantesintraoperatoriasdelpacienteydelpersonalde qui-rófano,mediantelosdosímetros.

Resultados

Las cuestionesplanteadasenlasencuestas desatisfacción entregadasalospacientesdurantelahospitalizaciónentodos loscasosreflejaronunaltoíndicedesatisfacción(fig.2).

Encuantoalaprecisiónquirúrgicaenlasdiferentes apli-cacionesyahemospublicadolosresultadosqueavalanesta afirmaciónenelcasodelasdeformidadesangularesen miem-brosinferiores14_{.Enfracturasyendeformidadesdelraquis}

Figura2–Modelos3Dcomoherramientascomunicativas. a)Fracturadeescápula.Comunicaciónentreprofesionales. b)Angiosarcomapélvico.Comunicaciónmédico-paciente.

Figura3– Planificaciónquirúrgicadeosteosarcomapélvico:resecciónyreconstrucciónconaloinjerto.a)Reconstrucción3D: estudiodeimagenTC.b)Dise ˜nodeguíasparaosteotomíasderesección.c)Piezasimpresasen3D.Premoldeado

enmaterialdesíntesis.

se han publicado ejemplos de las primeras aplicaciones y usosespecíficosquedefienden unamejoríaenlaprecisión quirúrgica15–19_{. En el caso de lacirugía ortopédica} oncoló-gica,laposibilidaddeimpresióndelosmodelos,eldise ˜node guíasparalarealizaciónde osteotomíasmultiplanares pre-viaplanificacióndelosmárgenesderesecciónylanavegación quirúrgicahanaumentadolaprecisiónquirúrgicaenloscasos enlosquesehanutilizado7,20_.

Laplanificaciónpreoperatoriacomopasoprevioala ejecu-ciónintraoperatoriaesfundamentalparaelahorrodetiempo quirúrgico.Entodosloscasossupusounahorrodetiempo qui-rúrgicoúnicamenteconlainclusióndelmodelo3Dimpreso enelprocesodeplanificación.Sia ˜nadimoslaposibilidadde simular pasos de la intervención quirúrgica sobre lapieza impresa,comopuedeserladisposiciónyconformacióndel materialdeosteosíntesis,elpretalladodeinjertosóseos,ola calibraciónymensuracióndeimplantes,einclusoeldise ˜no deguíasdeposicionamientoquirúrgicoparalarealizaciónde osteotomíasmultiplanaresolacolocacióndesistemasde fija-ción,elahorrodetiempoquirúrgicoesindudable(fig.3).En técnicasregladascomolasosteotomíasperiarticularesdela rodillaparacorreccióndedeformidadesangulares,la impre-sión3Dhasupuestounahorrodetiempoquirúrgicodel30% respectoalosmétodosconvencionales14_{(fig.4).Enotros} pro-cesoscomolasdeformidadescomplejasdelraquisolacirugía oncológica,enlosquelaparticularidaddeloscasosdificulta lahomogeneidaddelasmuestras,resultadifícildise ˜narun estudioenelquenosetengaquetenerencuentadichosesgo, aunqueenlaexperiencia clínicase identificantiemposde

ahorroquirúrgicodel30%,similaresalospublicadosenlas osteotomías(fig.5).

Entodosloscasossedisponíadeestudiosdeimagenpor lotesconvencionales(TCoRM),necesariosparalaobtención delamallatridimensional.Todosestosestudioshabíansido realizadosdurante elprocesodiagnósticoyno conel obje-tivodeobtenerunamallatridimensionalparaplanificación quirúrgica.Esimportantedestacarestoporqueelconsiderar larealizacióndepruebasdeimagenespecíficaspara planifi-caciónynosoloparadiagnósticoexigelaoptimizacióndelos procesosparaobtencióndeimageny,así,enelcasodepruebas comolaTCsepodránrealizarestudiosespecíficoscondosisde radiaciónmuyinferioresalasactualmenteempleadasparael procesodiagnóstico.Graciasalaimpresióntridimensionalde losmodelosyalaposibilidaddecontroldeposicionamiento con laayudadeguíasquirúrgicas osistemasde guiadode imagensehareducidolanecesidaddelusoderadioscopia intraoperatoriaasituacionespuntuales14_(fig.6).

Obstáculosyfuturodelaimpresión3D

El avance tecnológico en imagen médica, la posibilidad de obtención de mallas tridimensionales de localizaciones anatómicasconcretasapartirdelosestudiosporlotes con-vencionalescomolaTColaRM, eldise ˜nodeinstrumental oguíasespecíficasadaptadasacadacasoylaposibilidadde laimpresióntridimensionalimplicaunauténticocambiode paradigmaenlaplanificaciónyejecuciónquirúrgica21–23_.En localizaciones anatómicascomplejas,como enelesqueleto

Figura4–Osteotomíavarizantedefémurizquierdo.Flujodetrabajo.a)Planificación.b)Simulación.c)Ejecución.

axial,oenfracturasarticularesenlasquelareconstrucción delasuperficiearticularescrucialpara elpronósticode la lesión,queelprofesionaldispongadeunmodeloque repro-duzcafielmentelaanatomíadeestalocalizaciónsuponeuna herramientavisualytáctil,didácticayeficaz.

Apesar delaspotenciales ventajas,se hanidentificado variosinconvenientesparalaintegracióndelaimpresión3D comoherramientadentroel procesoasistencial comoesel desconocimientodelasposibilidadesdetraslaciónclínicade latecnologíaexistentecomercializadaparausodomésticopor lafaltadeformaciónennuevastecnologíasdelos profesiona-lessanitariosimplicadosenelproceso.Tambiénelexcesode ofertatecnológicaparaaplicacionesclínicasconcretas,yno tantoparalaprácticaclínicahabitual,yelcostedelos progra-masdeposprocesadodeimagenparalaobtencióndelamalla tridimensionalydelasimpresiones3Ddelosmodelos,guíaso instrumentalesespecíficos.Nopodemosolvidarla inexisten-ciadeunmarcoregulatorioespecíficoparalaimpresión3D médica.

Gracias al empleo de herramientas digitales gratuitas, programas de libre acceso con licencias tipo GNU/GPL y estructuraopen-source,yalusodelasimpresoras3D comer-cializadasparausodomésticoydirigidasalpúblicogeneral sepuedeabaratardeformamuysignificativaelcostedeesta tecnología,queesprácticamentedespreciablesisecompara conelcostedelaimpresión3Dconvencional,enlaqueuna

empresaindependienteasumeelposprocesado,elaboración delamallatridimensional,dise ˜nodelasguíaseimpresión de losmodelos requeridos.Larealización de esosmodelos implica enviar la información del paciente unas semanas antesderealizarlacirugíaparapodercrearlasplantillasen otrocentroatravésdeunaempresaindependiente,margen detiempodelcualnosedisponeennumerosasocasiones.

Lasimpresoras3Ddomésticastienenuncostequeoscila entre600y1.500Dypermitenobtenermodelosdemuybuena resolución (0,4-01mmpor capa)con un costepormaterial plásticomuyreducido.Unabobinade1kgdefilamentodePLA odeABS,los2termoplásticosmáscomúnmenteempleados, seadquierenporunprecioinferioralos20D.Conesta canti-daddematerialsepuedenimprimirde5a10modelosmédicos atama ˜noreal.Así,laimpresióndeunmodelomédicoen3D suponeunpreciodeproducciónmuybajo,loquepermitesu implantaciónenloscentrossanitariossinapenasrepercusión enelcosteasistencial.

Con losresultadosobtenidos,seobjetiva quelamejoría encuantoalacalidadpercibida porelpaciente es incues-tionable.Cuandoselemuestrasuafecciónrepresentadaen 3D,el paciente manifiesta sorpresaa lapar quedesahogo, puesporfinentiendeladescripciónanatómicadesuproblema y la dimensióndel pronóstico de su lesión o enfermedad. Pero,sobretodo,cuandoesa reconstrucción3Dseimprime, escuandoconseguimospasardelovirtualalotangible,yel

Figura5–Guíasdeposicionamientoparaintroducción detornillospedicularesenespondilolistesis.a)Imagen preoperatoria.b)Intervenciónquirúrgica.c)Imagen postoperatoria.

pacientepuedehacerseunaidealomáspróximaalarealidad tantodeldiagnósticocomodelasopcionesterapéuticasque selepuedenproponer.

Lafilosofía«hágaloustedmismo»(doityourself)enmanos delosprofesionalessanitariosimplicadosencuentraenesta tecnologíaunaliado ensuactividad asistencial.La forma-ciónenprogramasdeprocesadodeimagenyenimpresión 3Dposibilitaelusodeherramientas digitales convenciona-les (bring yourowndevice)como instrumentoseficacespara laplanificacióny dise ˜no, y permite, ademásde un impor-tanteahorrodecostes,lapreparaciónenmuypocotiempodel

material3Drequeridoparalaintervención.Estohapermitido identificar varias aplicaciones de la impresión 3D domés-tica con traslación clínicadirecta a larealidad asistencial: 1)planificaciónterapéutica,graciasalosnuevosmétodos digi-talesparaconvertirlovirtualentangible,2)dise ˜no-ingeniería inversaparalafabricacióndeproductospersonalizadossegún necesidadesespecíficas,3)simulación médicaconmodelos anatómicosimpresosen3Dparaentrenamiento,4)ejecución terapéutica conlafabricaciónde herramientasyayudas de precisión parausoterapéutico personalizado,5) comunica-ciónmédico-pacienteyentreprofesionalesconlaimpresión tridimensionaldemodelosespecíficosy6)formacióndelos profesionales sanitarioscon la impresiónde localizaciones anatómicasconcretasoinstrumentalesespecíficos.

A pesarde todoloanteriormente comentado,yaunque pareceexistirunconsensointernacionalencuantoaquela impresión3D estácambiando loscuidados delasalud, no existeunmarcoregulatorioespecíficoparalaimpresión3D médica.Variosorganismosregulatoriosenalgunospaísesya hanplanteadoestacuestiónylaslegislacionesdeproductos sanitariosseadaptaránpróximamenteaestanueva revolu-cióntecnológica3_.

Elempleodelasimpresoras3Dcomercializadasparauso domésticoydirigidasalpúblicogeneralabaratadeformamuy significativaelcostedeestatecnologíayofrecealos espe-cialistasproponer,fabricaryevaluarsuspropiassoluciones. Serálaexperienciaclínicadelosprofesionalesimplicadosyla formaciónenelusodeherramientasdigitalesloquepermita identificarlanecesidadylatraslaciónalarealidadasistencial. Supone unauténticocambio,enel queel cirujano ortopé-dicodedicamástiempoalaetapapreoperatorialoque,asu vez,permitemejorarlacalidadpercibidaenlospacientesy profesionalessanitarios,reproducirintraoperatoriamentelos pasosplanificados,mejorarlaprecisión,reducirlaexposición aradiaciónionizanteintraoperatoriaoreducirladuraciónde laintervención.Alacortarlacirugíasereducen,además,las tasasdecomplicacionescomolaprobabilidaddeinfecciones quirúrgicas,mejorastodasellasqueredundanenbeneficiodel paciente.

La impresión 3Daplicada alcampo de la Cirugía Orto-pédica y Traumatología es una tecnología que precisa

Figura6–Navegaciónquirúrgicaenangiosarcomapélvico.a)EstudioPET-TCpreoperatorio.b)Planificaciónydise ˜no deinstrumentaldeposicionamiento.c)Simulaciónsobrepiezasimpresas.d)Intervenciónquirúrgica.

imperativamentedelaparticipaciónactivadelprofesionalen lasáreasdefabricacióndeescritorio,bioimpresióny manu-facturadeimplantesamedida,conloquesecontribuyeal cambiodeparadigmaenlamedicinadeprecisiónyenla ciru-gíapersonalizada.Sehaceimprescindibleelplanteamientoy desarrollodeestudiosmulticéntricosespecíficosyde docu-mentosdeconsensoparaeldesarrollodeladecuadomarco regulatorioentornoaestatecnologíaennuestraespecialidad.

Conflicto

de

intereses

Losautoresdeclarannotenerningúnconflictodeintereses.

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