USO DE MODELOS ANATÓMICOS IMPRESOS EN 3D PARA PREPARACIÓN Y PRÁCTICA DE OSTEOTOMÍAS NASALES

AUTORES:
Dr. Eduardo López Orozco
Residente de Otorrinolaringología y Cirugía de Cabeza y Cuello
Hospital Civil de Guadalajara Fray Antonio Alcalde
Universidad de Guadalajara
Dra. Noraima Leticia Rodríguez Guevara
Residente de Otorrinolaringología y Cirugía de Cabeza y Cuello
Hospital Civil de Guadalajara Fray Antonio Alcalde
Universidad de Guadalajara
M.C. Dr. Eduardo López Demerutis
Maestro en Ciencias Médico especialista en Otorrinolaringología y Cirugía de Cabeza y Cuello
Adscrito al servicio de Otorrinolaringología y Cirugía de Cabeza y Cuello
Hospital Civil de Guadalajara Fray Antonio Alcalde
Sede:
Hospital Civil de Guadalajara “Fray Antonio Alcalde
Dirección:
Calle Hospital 278, Centro Barranquitas, 44280 Guadalajara, Jal., México
RESUMEN
Introducción: La impresión 3D es un proceso de manufactura de materiales que se ha introducido al campo de la medicina con aplicaciones desde prótesis personalizadas a modelos anatómicos. Uno de los pasos de la rinoplastía son las osteotomías, las cuales son una técnica compleja y con una variedad amplia de métodos para practicarla, que es difícil de practicar y aprender por la escasez de modelos cadavéricos. Objetivo: Crear un modelo anatómico impreso en 3D a partir de tomografías computadas de pacientes para enseñanza y práctica de osteotomías. Material y métodos: Se crearon tres modelos anatómicos a partir de tomografías computadas de pacientes, las cuales se manipularon con el uso de los software Slicer, Democratiz3D y Crura para crear un modelo 3D, el cual se imprimió con acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) en una impresora 3D. Se realizaron las técnicas de gibectomía y osteotomías mediales y laterales. Resultados: En los tres modelos anatómicos se logró realizar la resección de la giba ósea, así como la medialización y el estrechamiento la pirámide nasal. Conclusiones: Los modelos 3D de la pirámide nasal son una alternativa útil para la preparación, práctica y enseñanza de osteotomías, logrando evaluar los cambios posteriores a la realización del procedimiento.
 
Palabras clave: impresión 3D, osteotomías, rinoplastia
 
ABSTRACT
Introduction: 3D printing is a material manufacturing process that has been introduced to medicine with clinical applications that range from creation of personalized prosthesis to the creation of anatomical models. Rhinoplasty as an operation consists of a series of steps, one of them being nasal osteotomies, which are complex techniques which have a wide variety of methods to perform them. Given the low availability of cadaveric models, the training of nasal osteotomies is difficult. Objective: To create a 3D printed anatomical model based on patients’ computed tomography scans to teach and train nasal osteotomies. Material and methods: Three anatomical models were created based on patients computed tomography scans, which were manipulated with Slicer, Democratiz3D and Cura software to create a 3D model which was printed with Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) in a 3D printer. Hump removal, medial and lateral osteotomy techniques were performed. Results: The hump removal, the medialization and the narrowing of the nasal pyramid were successfully performed in all the three anatomical models. Conclusions: Nasal pyramid 3D printed models are a useful alternative for the preparation, practice and training of osteotomies, giving the possibility to assess the changes generated by the procedure.
 
Keywords: 3D printing, osteotomies, rhinoplasty
 
INTRODUCCIÓN
La impresión 3D es un proceso de manufactura en el que se fabrican objetos al depositar materiales en capas para producir un objeto tridimensional. Charles Hull es un ingeniero físico que inventó la impresión 3D en un proceso que llamó estereolitografía en la década de 1980s. Más tarde fundó la compañía 3D Systems, que desarrolló la primera impresora 3D, y que en el 1988 introdujo al mercado la primera impresora 3D, la SLA-250 1.
 
Con el paso de los años muchas empresas como DTM Corporation, Z Corporation, Solidscape y Object Geometrics se han introducido al campo de la impresión 3D, volviéndola una tecnología más accesible y económica, gracias a la gran inversión que se ha realizado. La industria de la impresión 3D es una industria de 700 millones de dólares; no obstante, sólo 11 millones de éstos (1.6%) se encontraban invertidos en aplicaciones médicas en el 2014 2.
 
Las impresoras 3D empezaron a utilizarse en los 2000s tempranos en el campo de la medicina cuando se comenzaron a fabricar implantes dentales personalizados. Desde entonces, sus usos se han multiplicado, con impresiones de huesos, orejas, exoesqueletos, tráqueas, mandíbulas, lentes, cultivos celulares, células madre, vasos, redes vasculares, tejidos y órganos 3.
Sus usos actuales incluyen la bioimpresión de tejidos y órganos, los implantes y prótesis personalizados, la creación de modelos anatómicos para preparación quirúrgica y la creación de dispositivos para administración de medicamentos personalizados. Los modelos anatómicos impresos en 3D tienen múltiples ventajas. Pueden ser utilizados para la planeación previa de una cirugía o tratamiento. Se ha observado que el uso de modelos anatómicos reduce los tiempos quirúrgicos y resultan en menores complicaciones. También permiten la manufactura de implantes e instrumentos quirúrgicos personalizados, evaluar diferentes dispositivos, y utilizarlos en la educación médica para mejorar el desarrollo y la enseñanza 4.
La rinoplastía es una cirugía que resulta muy variable ya que cada paciente requiere procedimientos diferentes según las características morfológicas y funcionales de su nariz, así como de los deseos estéticos de los pacientes. Las osteotomías es uno de los procedimientos más utilizados dentro de la rinoplastía ya que permite la modificación del tercio óseo nasal. Se encuentran indicadas principalmente cuando existe una deformidad de cielo abierto o cuando se desea estrechar, enderezar o ensanchar la pirámide nasal 5.
Ya que el esqueleto facial se encuentra recubierto por piel y el sistema músculo aponeurótico superficial, rara vez se obtiene una visión directa en el momento de realizar las osteotomías. Esto, aunado a las múltiples técnicas diferentes de osteotomías y a la riqueza en alteraciones estructurales de la pirámide ósea nasal, vuelve a la enseñanza y a la práctica prequirúrgica de las osteotomías un proceso muy complejo. Por lo tanto, proponemos la creación de un modelo anatómico creado usando tecnología de impresión 3D para la preparación y práctica de osteotomías.
 
MATERIAL Y MÉTODOS
Objetivo: Crear un modelo anatómico impreso en 3D a partir de tomografías computadas de pacientes para enseñanza y práctica de osteotomías
Se utilizaron archivos en formato .dcm de tomografías computadas de nariz y senos paranasales en cortes axiales de tres pacientes que fueron elegidos por conveniencia de una base de datos de tomografías de pacientes. 
 
Se utilizó una computadora MacBook Pro 13” (Apple, Cupertino, California) para edición de los archivos
El proceso de creación de cada imagen comienza con la creación del archivo en formato .nrrd. Se utiliza una plataforma de computación de imágenes open-source llamada 3D Slicer (https://www.slicer.org/) 6. Se utiliza el módulo “Volume Rendering”, en donde en configuración avanzada se define la región de interés (ROI) con coordenadas Izquierda-Derecha, Postero-Anteriores e Infero-Superiores. Definimos como límite posterior la porción inferior del conducto nasolacrimal, como límites laterales una línea a nivel de los forámenes infraorbitarios, como límite inferior la porción inferior de la apófisis palatina del maxilar y como límite superior el foramen supraorbitario. En propiedades de volúmenes se utilizan los siguientes puntos: punto 1 (coordenada X 500, opacidad 0), punto 2 (coordenada X 500, opacidad 0.73) y punto 3 (coordenada X 3071, opacidad 0.73), lo que excluye del render de volumen a todo tejido que no tenga densidad similar a la ósea en la tomografía.
 
Posteriormente, ya que se ha definido la ROI, se utiliza el módulo “Crop Volume” donde se realiza el corte y la creación de un nuevo volumen que incluye exclusivamente la ROI. Finalmente, en el menú de guardar archivo se exporta el volumen cortado en formato .nrrd.
 
El siguiente paso consiste en convertir el archivo .nrrd al formato .stl, para lo que se utiliza el software democratiz3D (https://www.embodi3d.com/democratiz3D/), en el que se sube el archivo en formato .nrrd y se selecciona operación “Very detailed bone” y calidad “Ultra”. El archivo se procesa automáticamente en los servidores de democratiz3D y envía una notificación alrededor de una hora después cuando el archivo se encuentra listo para ser descargado en formato .stl.
 
Se descarga el archivo en formato .stl y se abre el software Ultimaker Cura 4.10. Se cargan las preferencias recomendadas de la impresora a utilizar (Ultimaker 2), se carga el modelo y se rota 90º en el plano Z para colocar la parte anterior del modelo hacia superior y la parte más posterior en el suelo. En la configuración de la impresión se selecciona impresión fina a 0.1 mm y soporte con ángulo de 50. Posteriormente se selecciona la opción “Slice” que crea el modelo con los soportes, se verifica y se guarda en archivo .gcode, el cual se guarda en una tarjeta SD, se introduce en la impresora 3D Ultimaker 2 y se imprime utilizando acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) color blanco de 3.00 milímetros de diámetro con temperatura límite de 230º C en presentación de rollo de 1 kg (Ningbo Createbot Electronic Technology Co., Ltd.). Una vez impreso el modelo, se despega de la impresora y se liman imperfecciones del material.
Se realiza marcaje de los modelos utilizando marcadores permanentes con tintas de colores marcando el triángulo de Webster y las líneas de osteotomías laterales, medias y gibectomía según lo descrito por Cochran 7 y Most 8. Se utiliza set de cinceles y martillo de instrumental de rinoplastía que incluye osteotomo de Rubin de 15 mm, osteotomos angulados hacia la derecha e izquierda y rectos con guarda de 6 mm, cinceles rectos de 2, 4 y 6 mm, y martillo. Se realiza gibectomía clavando Rubin en giba ósea y martillando hasta desprender excedente óseo, creando defecto en cielo abierto. Posteriormente se utilizan osteotomías medias y laterales para corregir defecto en cielo abierto, estrechar pirámide nasal y corregir desviación de la pirámide. Se inicia con osteotomías paramedias superiormente con cincel recto de 6 mm, avanzándolas hasta unión del frontal. Posteriormente, se realizan osteotomías laterales anatómicas con patrón alto bajo alto respetando triángulo descrito por Webster 9. Se liberan los huesos propios de la nariz y se evalúa si se logró corregir deformidad en cielo abierto, estrechar nariz y corregir desviación de la pirámide.
 
RESULTADOS
Se imprimieron tres modelos diferentes de pirámide nasal en escala 1:1. Las características de los mismos previas a la realización del procedimiento, y sus cambios posterior a la realización del procedimiento se describen a continuación (ver tabla 1).
En los tres modelos anatómicos utilizados se logró realizar una resección de giba que se vio representada en el aumento del ángulo nasofrontal, así como el estrechamiento de la pirámide nasal y la corrección de las desviaciones de la pirámide nasal, mediante el uso de osteotomías en la pirámide nasal.
 
DISCUSIÓN
El uso de la impresión 3D en la otorrinolaringología, y en específico en la rinoplastía no es nuevo. Existen reportes previos de Suszynski y colaboradores 10 en donde toman fotografías 3D al paciente, y se realizan las alteraciones estéticas en el modelo 3D junto con el paciente eligiendo el aspecto postquirúrgico deseado. Una vez que el modelo complace al paciente, se imprime el modelo 3D prequirúrgico y el cambio postquirúrgico deseado. Durante la cirugía, se cuenta con ambos modelos 3D en quirófano para que funcionen como referencia para el cirujano durante el procedimiento.
 
Kim y colaboradores 11 utilizaron la impresión 3D para imprimir prótesis de policaprolactona bañados con fibrina y condrocitos para evaluar su uso como material para rinoplastías de aumento en animales. Otro reporte de Khan y colaboradores 12 presenta el caso de un paciente previamente operado de rinoseptumplastía con injerto, quien sufre traumatismo y fractura nasal. Se planea su cirugía con tomografía computada y simulación 3D, generando la planeación para la creación de un molde para un injerto, el cual se llenó de silicón, el cual se esterilizó y se utilizó como injerto en la intervención quirúrgica.
A nuestro conocimiento, ésta es la primera descripción del uso de modelos anatómicos creados utilizando tomografías computadas manipuladas con segmentación de volumen en Slicer, impresas con material ABS para la preparación y práctica de osteotomías.
 
CONCLUSIONES
Mediante el uso de técnicas de creación y modificación de archivos digitales tomados de tomografías, y el uso de teconología de impresión 3D se lograron crear modelos anatómicos de la pirámide nasal en material ABS, el cual puede ser utilizado como simulador para planeación y preparación de cirugía, así como para enseñaza de las técnicas quirúrgicas. Este tipo de modelos representa múltiples ventajas, ya que al tener un costo bajo, es posible imprimir varios modelos iguales y probar diferentes técnicas en cada uno, así evaluando los resultados esperados con cada técnica. Actualmente la adquisición de cadáveres para el estudio de técnicas quirúrgicas se ha vuelto un proceso muy complicado, por lo que este tipo de modelos es un método acesible en el que se permite observar paso a paso el proceso y las modificaciones quirúrgicas de las osteotomías. Este tipo de modelos es ideal para comparar otras técnicas, por ejemplo técnicas de preservación de dorso como push down o let down, o para comparar la utilización de direrente instrumental, por ejemplo, osteotomos contra microosteotomos o incluso osteotomos piezoeléctricos. Finalmente, aunque el ABS es muy similar en consistencia y dureza al hueso, es relativamente más elástico, por lo que, si bien muy parecida, la sensación en el momento de realizar la osteotomía, no es la misma que al realizarla en un hueso real.
 
TABLAS E IMÁGENES
1
Tabla 1:
Resultados de las mediciones previas y posteriores a los procedimientos de cada modelo. *Costo calculado con un precio de 660 pesos por rollo de material ABS.
 
2
Fotografía 1:
A. Utilización del módulo “Volume Rendering” de Slicer para la creación de la ROI. B.Utilización del módulo “Crop Volume” para el recorte de la ROI y creación del archivo .nrrd.
 
3
Fotografía 2:
A. Modelo cargado en Ultimaker Crura, rotado en la posición de impresión. B. Modelo posterior a realizar “Slice”, mostrando la previsualización del modelo impreso, con el estimado del tiempo de impresión y de la cantidad del material utilizado.
 
4
Fotografía 3:
Modelo en la impresora 3D previo a ser retirado de la misma.
 
5
Fotografía 4:
Modelo 1 finalizado, extraido e la impresora.
 
6
Fotografía 5:
Vista lateral del modelo 1 con el marcaje realizado con marcadores permanentes.
 
7
Fotografía 6:
Vista oblicua del modelo 1 previo a la realización de osteotomías.
 
8
Figura 7:
Vista frontal del modelo 2 con el marcaje realizado.
 
9
Figura 8:
Instrumental utilizado para la realización de osteotomías.
 
10
Figura 9:
Realización de gibectomía en modelo 1.
 
11
Figura 10:
Realización de osteotomía lateral izquierda en modelo 1.
 
12
Figura 11:
Realización e osteotomía lateral izquierda en modelo 2.
 
13
Figura 12:
Realización de osteotomía lateral izquierda en modelo 3.
 
14
Figura 13:
Resultado posterior a osteotomías en modelo 1.
 
15
Fotografía 14:
Resultado posterior a osteotomías en modelo 2.

 

 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
  1. Ventola C L: Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses. P T 2014; 39(10): 704
  2. Schubert C, van Langeveld M, Donoso LA: Innovations in 3D printing: a 3D overview from optics to organs. BJO 2014; 98(2): 159–161
  3. Gross BC, Erkal JL, Lockwood SY, Chen C, Spence SM: Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. Anal Chem 2014; 86(7): 3240–3253
  4. Aimar A, Palermo A, Innocenti B: The Role of 3D Printing in Medical Applications: A State of the Art. J Healthc Eng 2019
  5. Gabra N, Rahal A, Ahmarani C: Nasal Osteotomies. JAMA Facial Plast Surg 2014; 16(4), 268–271
  6. Fedorov A, Beichel R, Kalpathy-Cramer J, Finet J, Fillion-Robin J, Pujol S, Bauer S, Jennings D, Fennessy F, Sonka M, Buatti J, Aylward S, Miller J, Pieper S, Kikinis R: 3D Slicer as an image computing platform for the Quantitative Imaging Network. Magn Reson Imaging 2012; 30(9), 1323–1341
  7. Cochran CS, Ducic Y, Defatta RJ: Rethinking nasal osteotomies: an anatomic approach. Laryngoscope 2007; 117(4), 662–667
  8. Most S, Murakami C: Nasal osteotomies: anatomy, planning, and technique. Facial Plast Surg Clin North Am 2002; 10(3), 279–285
  9. Webster R, Davidson T, Smith R: 1977. Curved lateral osteotomy for airway protection in rhinoplasty. Arch Otolaryngol 1977; 103(8), 454–458
  10. Suszynski TM, Serra JM, Weissler JM, Amirlak B: Three-Dimensional Printing in Rhinoplasty. Plast Reconstr Surg 2018 141(6), 1383–1385
  11. Kim YS, Shin YS, Park DY, Choi JW, Park JK, Kim DH, Park SA: (2015). The Application of Three-Dimensional Printing in Animal Model of Augmentation Rhinoplasty. Ann Biomed Eng 2015; 43(9), 2153–2162
  12. Khan G, Choi YS, Park E S, Choi YD: (2018). The Application of Three-Dimensional Simulation Program and Three-Dimensional Printing in Secondary Rhinoplasty. J Craniofac Surg 2018; 29(8): 774-777.
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