Um Modelo Personalizado Impresso em 3D para Avaliação Pré-Operatória em Cirurgia de Tireoide

Resumo

Aqui, um novo método de estabelecer um modelo personalizado impresso em 3D para avaliação pré-operatória de cirurgia de tireoide é proposto. É propício à discussão pré-operatória, reduzindo a dificuldade da cirurgia de tireoide.

Resumo

A estrutura anatômica da área cirúrgica do câncer de tireoide é complexa. É muito importante avaliar de forma abrangente e cuidadosa a localização do tumor e sua relação com a cápsula, traqueia, esôfago, nervos e vasos sanguíneos antes da operação. Este trabalho apresenta um método inovador de estabelecimento de modelos impressos em 3D baseado em imagens DICOM de tomografia computadorizada (TC). Estabelecemos um modelo personalizado impresso em 3D do campo de cirurgia da tireoide cervical para cada paciente que precisava de cirurgia de tireoide para ajudar os médicos a avaliar os pontos-chave e as dificuldades da cirurgia e selecionar os métodos de operação de peças-chave como base. Os resultados mostraram que esse modelo é propício à discussão pré-operatória e à formulação de estratégias de operação. Em particular, como resultado da exibição clara da localização do nervo laríngeo recorrente e da glândula paratireoide no campo de operação da tireoide, a lesão dos mesmos pode ser evitada durante a cirurgia, a dificuldade de cirurgia da tireoide reduzida e a incidência de hipoparatireoidismo pós-operatório e complicações relacionadas à lesão do nervo laríngeo recorrente também foram reduzidas. Além disso, esse modelo impresso em 3D é intuitivo e auxilia a comunicação para a assinatura do termo de consentimento livre e esclarecido pelos pacientes antes da cirurgia.

Introdução

Os nódulos tireoidianos são uma das doenças endócrinas mais comuns, dentre os quais o câncer de tireoide é responsável por 14%-21%¹. O tratamento de escolha para o câncer de tireoide é a cirurgia. Entretanto, como a glândula tireoide está localizada na região cervical anterior, existem tecidos e órgãos importantes próximos à glândula tireoide na área da operação, como a glândula paratireoide, a traqueia, o esôfago, os grandes vasos e nervos cervicais^2,3, tornando a operação relativamente difícil e arriscada. As complicações cirúrgicas mais comuns são a diminuição da função paratireoidiana causada por lesão ou ressecção incorreta da função paratireoidiana e rouquidão causada por lesão do nervo laríngeo^recorrente4. A redução das complicações cirúrgicas citadas sempre foi um objetivo para os cirurgiões. O método de imagem mais comum antes da cirurgia da tireoide é a ultrassonografia, embora sua exibição da glândula e do nervo paratireoide seja muito^limitada5. Além disso, a variação da posição da glândula paratireoide e do nervo laríngeo recorrente no campo cirúrgico da tireoide é muito alta, o que dificulta a^{identificação6,7}. Se a posição anatômica de cada paciente puder ser claramente exibida ao cirurgião através do modelo em tempo real durante a operação, isso reduzirá o risco operacional da cirurgia de tireoide, reduzirá a incidência de complicações e melhorará a eficiência da cirurgia de tireoide.

Além disso, também é um desafio explicar detalhadamente o processo cirúrgico aos pacientes antes da cirurgia. Alguns cirurgiões inexperientes têm dificuldade em explicar e transmitir os detalhes precisos da operação aos pacientes, especialmente devido à complexidade da glândula tireoide e suas estruturas circundantes. Cada paciente tem sua própria estrutura anatômica e necessidades pessoais⁸. Portanto, um modelo 3D personalizado da tireoide baseado na anatomia real do paciente pode efetivamente ajudar pacientes e clínicos. Atualmente, a maioria dos produtos no mercado é produzida em massa com base em diagramas planos. Ao utilizar a tecnologia de impressão 3D para produzir um modelo específico do paciente que reflita as necessidades médicas individuais de cada paciente, esse modelo pode ser usado para avaliar a condição real dos pacientes com câncer de tireoide e ajudar os cirurgiões a comunicar melhor a natureza da doença com os pacientes.

A impressão 3D (ou manufatura aditiva) é uma construção tridimensional construída a partir de um modelo de projeto assistido por computador ou modelo 3D digital⁹. Tem sido utilizada em diversas aplicações médicas, tais como dispositivos médicos, modelos anatômicos e formulação de^{fármacos 10}. Em comparação com a imagem tradicional, um modelo de impressão 3D é mais visível e mais legível. Por isso, a impressão 3D vem sendo cada vez mais utilizada nos procedimentos cirúrgicos modernos. As tecnologias de impressão 3D comumente usadas incluem impressão baseada em polimerização em cuba, impressão à base de pó, impressão baseada em jato de tinta e impressão baseada em extrusão¹¹. Na impressão baseada em polimerização em cuba, um comprimento de onda específico de luz é irradiado para um barril de resina fotopolimerizável, que cura localmente a resina uma camada de cada vez. Tem as vantagens de economia de material e impressão rápida. A impressão à base de pó depende de aquecimento localizado para fundir o material em pó para uma estrutura mais densa, mas também leva a um aumento significativo no tempo e custo de impressão, e atualmente está em uso limitado¹². A impressão a jato de tinta usa uma pulverização precisa de gotículas no substrato em um processo camada por camada. Essa tecnologia é a mais madura e tem como vantagens a alta compatibilidade de material, custo controlável e rápido tempo de impressão¹³. A impressão à base de extrusão extrude materiais como soluções e suspensões através de bicos. Esta técnica utiliza células e, portanto, tem a maior capacidade de mimetizar tecidos moles. Devido ao maior custo e bioafinidade, é utilizada principalmente na área de engenharia de tecidos e menos frequentemente em modelos de órgãos^{cirúrgicos14}.

Como resultado, optamos pela tecnologia de impressão "White Jet Process", baseada na complexidade da tireoide e suas estruturas circunvizinhas e na programação cirúrgica. Essa tecnologia combina as vantagens da impressão baseada em polimerização em cubas e da impressão a jato de tinta, e oferece alta precisão, impressão rápida e baixo custo, tornando-a uma boa opção para cirurgia de tireoide. O objetivo deste protocolo é fazer um modelo de câncer de tireoide impresso em 3D, melhorar o prognóstico dos pacientes, fornecendo informações suficientes sobre a estrutura anatômica e a variação dos pacientes, e melhor informar médicos e pacientes sobre todas as condições relacionadas ao processo cirúrgico.

Protocolo

Este estudo não necessitou de aprovação ou qualquer tipo de consentimento dos pacientes para uso e publicação de seus dados, pois todos os dados e informações deste estudo e vídeo foram anonimizados.

1. Coleta de dados de imagem

1. Escanear a tireoide do paciente por tomografia computadorizada (TC) aprimorada para obter os dados da imagem em formato DICOM. Certifique-se de que este processo é feito dentro de 1 semana antes da operação e controle a espessura de corte para que seja de ≤1 mm.

2. Tratamento de dados DICOM

1. Importe os dados de imagem do paciente digitalizados para o software (consulte a Tabela de Materiais) e defina o limite apropriado de acordo com a diferença no valor de cinza entre a glândula tireoide e os tecidos ou órgãos circundantes. Como diferentes valores de cinza são reflexos de diferenças na densidade de diferentes áreas do corpo humano, defina o limiar da escala de cinza (unidade: hu; no software) para 226-1.500 para apresentar a imagem óssea; Defina o limiar como -200-226 para mostrar a imagem da glândula tireoide. Deixe o software identificar automaticamente a área encaixotada ou contorne manualmente o limite da área alvo se o reconhecimento não for satisfatório.
   NOTA: Imita automaticamente selecionar a região da tireoide e usar a tecnologia de crescimento da região 3D para segmentar a imagem e calcular a reconstrução 3D. Ao mesmo tempo, a imagem 3D é otimizada para reduzir a rugosidade e o senso de passos para obter um modelo de visualização digital 3D natural, suave e autêntico, o que permite uma observação mais direta do modelo 3D para cirurgiões.
2. Gere arquivos STL a partir do modelo de dados reconstruído. Escolha o modelo reconstruído no software, clique em Exportar no dock de arquivos e escolha STL como o formato de arquivo de exportação. Finalmente, gere os arquivos STL com êxito.

3. Interação médico-engenharia

1. Envie a visualização do modelo 3D reconstruído para os médicos, que confirmarão os requisitos aplicados e a estrutura anatômica do modelo 3D e darão feedback ao engenheiro de modelagem se uma modificação for necessária. Depois de receber as confirmações dos médicos, prossiga para a fase de preparação da produção.

4.3D impressão (Arquivo Suplementar 1)

1. Transfira os dados do arquivo STL para a impressora 3D de material colorido e complete as predefinições de parâmetros (como modo de impressão, espessura de traçado de fatia, método de suporte e coloração do modelo) por meio do software de fatiamento de impressão 3D de suporte.
   1. Selecione o modelo de impressão de acordo com o tipo de produtos acabados (os modelos de impressão colorida geralmente usam a tecnologia White Jet Process, enquanto a resina fotossensível geralmente usa a Procissão Digital de Luz).
   2. Selecione o parâmetro de espessura do curso de corte de acordo com a espessura dos produtos (aqui, de 24 μm a 36 μm).
   3. Escolha o método de suporte de acordo com a finura do modelo de impressão: Suporte geral (melhor proteção e menos danos aos detalhes finos) ou Suporte parcial (que economiza materiais).
   4. Selecione a coloração do modelo usando a função de paleta de cores na impressora. Unificar as artérias com a cor vermelha 255 e as veias com a cor azul 255.
      NOTA: Como outras partes como a lesão tumoral não são estritamente padrão, os cirurgiões podem selecionar uma cor de acordo com suas necessidades ou preferência.
2. Preencha a resina de cura de luz dura na impressora 3D (consulte a Tabela Suplementar S1), depure a plataforma de impressão e imprima usando a tecnologia White Jet Process. Após a impressão, retire o modelo preliminar impresso da tireoide.
   NOTA: A tecnologia White Jet Process é baseada no princípio da impressão a jato de tinta, onde uma fina camada de resina fotossensível é impressa em um jato e, em seguida, irradiada com um comprimento de onda específico de luz UV, causando uma rápida reação de polimerização e cura da resina fotossensível. Esse processo é concluído camada por camada até que a impressão seja concluída.

5. Pós-tratamento

1. Subtrair a estrutura de suporte do modelo preliminar impresso de tireoide. Triturar, envernizar e curar o produto semimanufaturado para obter um modelo isométrico individualizado de tireoide impresso em 3D 1:1.
   1. Subtraindo estrutura de suporte
      1. Usando luvas, quebre os suportes de envoltório ao redor do modelo preliminar e remova a maior parte do corpo principal da estrutura de suporte.
      2. Coloque o modelo em um limpador ultrassônico com solução alcalina de Ca(OH)₂ para uma limpeza de 15 minutos.
      3. Coloque o modelo em um jateador de areia úmido e enxágue-o até que o resto da estrutura de suporte na superfície seja lavada.
   2. Esmerilhação
      1. Triture o modelo com uma esmerilhadeira elétrica, lima ou rebolo.
   3. Envernizamento
      OBS: Este processo consiste em pulverização e pintura manual.
      1. Borrife o verniz em blocos coloridos de grande área na metade da superfície do modelo. Pinte manualmente os blocos coloridos de pequena área com verniz.
   4. Cura
      1. Coloque o modelo em uma máquina de cura UV para 30 s de cura.
      2. Retire o modelo e limpe-o com álcool 95%.
         OBS: Após o álcool volatilizar completamente, a produção é finalizada.

6. Entrega

1. Embalar o modelo de tireoide e completar a entrega aos cirurgiões antes da cirurgia.

Resultados

Este trabalho apresenta um protocolo para a construção de modelos personalizados impressos em 3D de tireoides de pacientes. A Figura 1 mostra um fluxograma para o estabelecimento de um modelo personalizado impresso em 3D para tireoides de pacientes. A Figura 2 mostra o modelo de impressão personalizado impresso em 3D para tireoides de pacientes. A Figura 3 mostra a interface do software para o estabelecimento de um modelo persona...

Discussão

A ultrassonografia pode ser o único procedimento de imagem pré-operatório para a maioria dos pacientes submetidos à cirurgia da tireoide¹⁵. Entretanto, alguns casos bem diferenciados podem ser portadores de doenças avançadas, que invadem os tecidos ou órgãos circunvizinhos e dificultam a operação¹⁶. Esse modelo pode ser mais adequado para pacientes com câncer de tireoide muito avançado. Quando a doença progride, a tomografia computadorizada adicional é útil p...

Materiais

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