Palavras-chave
fratura de Hoffa - pseudoartrose - impressão tridimensional - procedimentos ortopédicos
Introdução
Em diversas áreas da medicina, como a ortopedia, fabricam-se modelos e implantes anatômicos
personalizados para planejamento pré-operatório preciso, simulação de cirurgias, treinamento
da equipe, e melhor comunicação com o paciente.[1]
[2]
[3]
[4]
A impressão tridimensional (3D), também chamada de prototipagem rápida (PR) ou manufatura
aditiva (MA), permite a criação de modelos que reproduzem a anatomia real. Estes modelos
podem melhorar a compreensão e a interpretação anatômica por parte do cirurgião. A
tecnologia de impressão 3D permite a utilização de guias personalizados para a otimização
dos desfechos cirúrgicos. Implantes e artroplastias podem ser confeccionados de acordo
com a anatomia individual e auxiliar na avaliação anatômica do reparo cirúrgico.[5]
[6]
O planejamento 3D virtual permite que o cirurgião visualize e compreenda a anatomia
complexa e planeje digitalmente, por exemplo, uma osteotomia corretiva para restauro
da anatomia e da função normal, ou o melhor posicionamento do implante.
O objetivo deste estudo é avaliar uma proposta de processo de impressão 3D de um biomodelo
desenvolvido com o auxílio da tecnologia de modelagem por deposição de material fundido
(fused deposition modeling, FDM, em inglês) a partir de imagens de tomografia computadorizada (TC) de um indivíduo
com pseudartrose de fratura coronal do côndilo femoral (fratura de Hoffa).
Materiais e Métodos
Para demonstrar a utilização da tecnologia da MA em cirurgia ortopédica, escolhemos
um caso clínico de pseudartrose da fratura de Hoffa. Realizou-se o estudo da geometria
óssea, o planejamento pré-operatório virtual, e o planejamento pré-operatório com
impressão de um modelo anatômico 3D em escala real (1:1) da região distal do fêmur.
Neste modelo, a fixação da pseudartrose foi simulada com osteossíntese por placa e
parafusos. Após o tratamento cirúrgico, o posicionamento do implante foi analisado
(no modelo anatômico e no paciente) com a medida dos ângulos dos implantes em relação
aos pontos de referência da estrutura óssea. Essas medidas permitiram a análise da
reprodutibilidade do planejamento e da simulação cirúrgica. Este estudo foi conduzido
após a aprovação pelo Comitê de Ética institucional (CAAE: 94788418.2.0000.5547).
O paciente é um homem de 44 anos de idade que sofreu um acidente motociclístico, com
politraumatismo grave e fratura segmentar exposta do fêmur esquerdo (fratura das regiões
proximal e distal), em novembro de 2010. Ele apresentou sequelas do traumatismo no
membro inferior esquerdo, com pseudartrose e deformidade angular.
Seis anos depois do acidente, o paciente passou a apresentar dores progressivas. Uma
pseudartrose negligenciada na fratura de Hoffa foi diagnosticada com radiografias
e TCs (tipo III de Letteneur) ([Fig. 1]).[7]
Fig. 1 Imagens de TC nos planos sagital, axial e coronal.
O tomógrafo GE LightSpeed VCT (GE Healthcare, Chicago, IL, Estados Unidos), de 64
canais, fabricado em 2008, foi utilizado na aquisição de imagens ósseas para impressão
do modelo anatômico. As TCs foram realizadas de acordo com o protocolo específico
de aquisição de imagens de tecido ósseo estabelecido pela equipe de radiologia local,
mostrado na [Tabela 1].
Tabela 1
|
Parâmetros
|
Descrição
|
|
Campo de visão
|
17 × 17 cm
|
|
Escanograma
|
Protocolo padrão do tomógrafo
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|
Região de interesse
|
Joelho
|
|
Voltagem (KV)
|
120
|
|
Amperagem (mA)
|
298
|
|
Pitch
|
512 × 512
|
|
Colimação
|
Grande
|
|
Espessura de corte
|
0,6 mm
|
|
Incremento de corte
|
0,969 mm
|
A criação do modelo anatômico virtual foi baseada em segmentação (separação do tecido
ósseo das imagens de TC). A segmentação das imagens foi feita com o programa Invesalius
(Centro de Tecnologia da Informação [CTI] Renato Acher, Campinas, SP, Brasil), versão
3.1.1, como mostra a [Fig. 2]. Um algoritmo automático do programa fez a segmentação óssea e identificou o tecido
ósseo na janela de limiar de radiodensidade entre 226 e 2014 unidades de Hounsfield
(UH). O programa criou uma máscara para identificação do tecido segmentado; neste
caso, a máscara era verde, como mostra a [Fig. 2]. O programa de computador permitiu a visualização do objeto reconstruído em várias
posições no espaço, e auxiliou no entendimento da geometria óssea. A reconstrução
volumétrica do objeto foi feita em arquivo de formato de linguagem de triângulo padrão
(standard triangle language, STL, em inglês), que pode ser exportado para um ambiente de desenho assistido por
computador (computer-aided design, CAD, em inglês) para posterior modelagem virtual do objeto ou até mesmo sua impressão
3D.
Fig. 2 Imagem da tela do programa Invesalius que mostra a segmentação óssea. Nota: esta
figura mostra imagens de cortes axiais, sagitais e coronais, e a imagem do volume
reconstruído do tecido ósseo segmentado.
O objeto foi modelado e “renderizado” com o programa Meshmixer (Autodesk, San Rafael,
CA, Estados Unidos), versão 3.5, com regularização das superfícies interna e externa
do osso ([Fig. 3]).
Fig. 3 Modelo de osso virtual antes da “renderização” com o Meshmixer. Nota: uma malha foi
criada para maior compreensão das irregularidades e falhas na superfície do objeto
para facilitar sua posterior correção.
A utilização de um programa de computador com tecnologia CAD permite o planejamento
cirúrgico virtual (PCV) e a redução de fragmentos ([Fig. 4]). Os fragmentos não consolidados foram virtualmente separados para melhor estudo
da lesão; em seguida, foram reduzidos na posição anatômica, e os implantes foram posicionados
no local desejado. Todo o processo de cirurgia virtual ocorreu em ambiente CAD com
uso do Meshmixer ([Fig. 4]).
Fig. 4 Imagens da redução dos fragmentos da pseudartrose.
Depois da criação do objeto em formato STL, o arquivo foi exportado para um programa
de geração de código G (G-code, em inglês), linguagem utilizada pelos programas de
manufatura assistida por computador (computer-aided manufacturing, CAM, em inglês) para a fabricação de objetos 3D. A principal função do G-code é
instruir o equipamento a se mover de maneira geométrica nas três dimensões: X, Y e
Z. É uma linguagem extremamente simples e rudimentar, uma sequência de linhas de instruções
em que cada uma é responsável por uma tarefa específica; o programa é executado linha
por linha até o final do código. O G-code do objeto foi gerado por meio do programa
livre Slic3r (desenvolvido por Alessandro Ranellucci), versão 1.3.0.
Após a geração do G-code, as informações foram exportadas para um ambiente CAM. O
programa livre Repetier-Host (HotWorld GmbH & Co. KG, Willich, Alemanha), versão 2.0.5,
configurou os parâmetros de impressão, como tipo de termoplástico, densidade do polímero,
diâmetro do filamento, temperatura de extrusão, velocidade de impressão, altura (largura)
da camada, resolução, preenchimento da estrutura, e sustentação das peças.
A confecção do modelo impresso reproduziu os perfis interno e externo da parte cortical
do osso, que é preenchida totalmente com polímero, e representa a geometria óssea
real ([Fig. 5]).
Fig. 5 Imagens do modelo ósseo impresso em 3D com tecnologia de FDM em ABS de cor branca,
que mostra o fêmur distal e fragmento do côndilo femoral lateral.
A simulação cirúrgica foi feita de acordo com estudos recentes[7]
[8] que demonstraram que placa e parafusos geram maior estabilidade biomecânica no tratamento
da fratura coronal do côndilo femoral. Uma placa de compressão de bloqueio (Locking
Compression Plate, LCP, em inglês) de 5 furos com 4 parafusos bloqueados de 3,5 mm,
um parafuso esponjoso 4,0 mm e 1 parafuso cortical de 3,5 mm foram utilizados.
A pseudartrose do modelo anatômico 3D foi fixada de acordo com os princípios de fixação
de fraturas articulares desenvolvidos pela Fundação Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen
(OA) ([Fig. 6]).[9]
Fig. 6 Imagens do modelo ósseo impresso em 3D e fixado com a placa LCP na face lateral do
fêmur distal.
A placa foi dobrada de acordo com a geometria do côndilo femoral lateral de forma
a ficar a 90° em relação à linha da pseudartrose. O posicionamento adequado dos implantes
e a redução dos fragmentos ósseos foram verificados por fluoroscopia peroperatória([Fig. 7]).
Fig. 7 Imagens de fluoroscopia no peroperatório para verificação do posicionamento dos implantes.
Depois da fixação do modelo anatômico 3D com os implantes, a estabilidade do fragmento
e/ou da placa e dos parafusos foi determinada por meio de testes de deslocamento manual
que reproduziram as forças de flexão e torção.
O modelo anatômico foi esterilizado em óxido de etileno para uso durante o procedimento
cirúrgico como guia de navegação ([Fig. 8]).
Fig. 8 Uso do modelo anatômico de impressão tridimensional como guia de navegação das referências
anatômicas para colocação do implante de acordo com o planejamento virtual.
Resultados
O modelo anatômico 3D apresentou características geométricas e morfológicas semelhantes
às do osso real. O material utilizado na impressão do modelo, o termoplástico acrilonitrila
butadieno estireno (ABS), conferiu resistência estrutural que permitiu a simulação
cirúrgica com a colocação dos implantes, sem fraturas ou afrouxamento das camadas
do modelo. A estabilidade da redução e a fixação dos fragmentos foram verificadas
após a inserção dos implantes.
O método descrito possibilitou a impressão de modelo anatômico 3D com as características
do objeto real, o PCV, a simulação cirúrgica para planejar o melhor posicionamento
dos implantes e o treinamento da equipe cirúrgica.
A análise da reprodutibilidade da técnica, ou seja, determinar se a osteossíntese
no fêmur distal do paciente está de acordo com o planejamento e a simulação virtual
utilizando o modelo anatômico impresso em 3D, foi baseada nas medidas dos ângulos
em comparação com as referências anatômicas do fêmur distal, a linha de pseudartrose,
e a posição do implante. Os ângulos foram medidos no programa AnimatiPACS (Animati
netPACS, Santa Maria, RS, Brasil).
Para a medida da posição do implante, as referências anatômicas foram definidas em
radiografias nas incidências anteroposterior (AP) e de perfil (P), com passagem tangencial
das linhas nos marcos para formação de ângulos com os implantes ou com a linha da
pseudartrose. Na incidência AP, uma linha foi definida como referência tangencial
à extremidade distal dos côndilos femorais, em Perfil, uma linha foi definida como
referência tangencial à cortical posterior da metáfise distal do fêmur ([Fig. 9]).
Fig. 9 Referências anatômicas em radiografias AP e P com passagem tangencial das linhas
pelos marcos e formação de ângulos para medida da posição dos implantes.
As radiografias do joelho do paciente (AP e P) e do modelo anatômico 3D mostram que
as posições da placa e dos parafusos em relação às referências anatômicas definidas
(superfície articular dos côndilos femorais e cortical posterior da metáfise distal
do fêmur) são diferentes ([Tabela 2]).
Tabela 2
|
Incidência radiográfica
|
Joelho
|
Modelo anatômico
|
|
Linha de pseudartrose
|
Anteroposterior
|
41,2°
|
38,1°
|
|
Perfil
|
43.8°
|
61,5°
|
|
Placa
|
Anteroposterior
|
49,6°
|
71,8°
|
|
Perfil
|
36,9°
|
26,0°
|
|
Parafuso proximal
|
Anteroposterior
|
57,2°
|
74,6°
|
|
Perfil
|
57,0°
|
32,1°
|
|
Parafuso distal
|
Anteroposterior
|
52,5°
|
62,8°
|
|
Perfil
|
50,9°
|
37,3°
|
As radiografias em Perfil do joelho do paciente e do modelo anatômico impresso mostram
uma proximidade dos valores dos ôngulos entre a placa e dos parafusos em relação à
linha de pseudartrose ([Tabela 3]). As diferenças percentuais no posicionamento dos implantes no joelho do paciente
em relação ao modelo anatômico foram de 3,5% na placa, de 18% no parafuso proximal,
e de 4% no parafuso distal.
Tabela 3
|
Incidência radiográfica
|
Linha de pseudartrose
|
|
Joelho
|
Modelo anatômico
|
|
Placa
|
Perfil
|
93,0°
|
89,8°
|
|
Parafuso proximal
|
Perfil
|
70,2°
|
85,7°
|
|
Parafuso distal
|
Perfil
|
76,1°
|
79,4°
|
Discussão
Antes do surgimento dos sistemas computacionais para visualização de imagens digitalizadas,
como o sistema de comunicação e arquivamento de imagens (picture archiving and communication system, PACS, em inglês), as imagens de TC e ressonância magnética (RM) eram impressas em
filmes, com perda de informações valiosas. O PACS mudou a forma de análise das imagens,
pois dá outra dimensão à interpretação, e permite a visualização dinâmica do objeto
3D de vários ângulos. A reconstrução volumétrica da estrutura estudada pode ser exportada
para programas CAD para modelagem e “renderização”, o que possibilita a impressão
do objeto.[10]
Segundo diversos autores,[6]
[11]
[12]
[13]
[14] o atual processo de impressão em 3D na área médica (utilizado para ensino, planejamento
e treinamento cirúrgico, confecção de guias cirúrgicos, implantes e próteses) consiste
nas etapas apresentadas na [Fig. 10].
Fig. 10 Processo de impressão em 3D em medicina.
Kim et al.[15] relataram a experiência clínica com o uso de técnicas de impressão em 3D em traumatismos
ortopédicos, que possibilitam uma melhor compreensão da fratura e das relações anatômicas,
e podem ser aplicas no planejamento pré-operatório, na educação médica, e no treinamento
e simulação cirúrgicos.
Neste estudo, o processo de aquisição de imagens de TC, “renderização” e modelagem
em ambiente CAD para a criação de um modelo ósseo virtual para a impressão em 3D com
tecnologia de FDM foi bem-sucedido. De acordo com a literatura, os parâmetros na aquisição
das imagens de TC, como espessura e número de cortes, são fatores determinantes para
a precisão da reconstrução volumétrica. A espessura dos cortes foi inferior a 1 mm,
o que gerou dados suficientes para uma reconstrução volumétrica muito próxima ao osso
real. A segmentação foi realizada automaticamente por um algoritmo computacional com
identificação de tecido ósseo na janela de limiar (thresholding, em inglês) entre 226 UH e 2014 UH. Isso permitiu uma segmentação precisa, com pouca
necessidade de remoção de artefatos e alisamento da superfície durante a “renderização”
e modelagem.
A utilização de programas CAD, como Invesalius (para segmentação óssea) e Meshmixer
(para modelagem e “renderização”) permitiu a redução anatômica de fragmentos ósseos
durante o PCV.
A tecnologia de impressão em 3D é cada vez mais usada em várias áreas, inclusive a
cirurgia ortopédica, e é relevante na confecção de biomodelos, ferramentas cirúrgicas
(como guias e modelos, por exemplo), implantes e próteses.
O modelo anatômico também pode facilitar a comunicação entre a equipe médica e o paciente
e sua família, dando informações sobre o tipo de tratamento cirúrgico, promovendo
o melhor entendimento do quadro clínico e das possíveis complicações, e melhorando
a adesão terapêutica, o que contribui para uma melhora na relação médico-paciente.[4]
[16]
[17]
[18]
[19] O participante deste estudo foi instruído sobre a gravidade e o prognóstico da lesão
articular. Para tanto, usamos o modelo anatômico impresso submetido à simulação cirúrgica,
com a pseudartrose fixada aos implantes escolhidos.
Alguns trabalhos[4]
[12]
[17]
[20] mostram o uso de modelos anatômicos com tecnologia MA na prática cirúrgica, em diversos
domínios, inclusive na precisão da simulação cirúrgica, na similaridade anatômica,
e no treinamento no uso de instrumentos cirúrgicos. Vários estudos demonstraram a
aplicação eficaz da impressão em 3D na educação médica em ortopedia,[4]
[11]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26] principalmente em procedimentos cirúrgicos em regiões de anatomia complexa.[6]
Diversos programas CAD possibilitam a realização do PCV para melhor compreensão da
geometria espacial e das relações anatômicas. É possível programar abordagens cirúrgicas
menos invasivas e prever a redução de fragmentos ósseos, simulando a osteossíntese
definitiva.27,28 A impressão de biomodelos fornece mais informações em relação às imagens convencionais
e aumenta o conhecimento sobre a lesão.[5]
[11]
[22]
[29]
Algumas metanálises e revisões sistemáticas[3]
[30] sobre o planejamento pré-operatório e a cirurgia assistida por impressão 3D no trauma
ortopédico sugerem que este procedimento reduz o tempo cirúrgico, a perda sanguínea
intraoperatória, e o tempo de fluoroscopia.
Neste estudo, a impressão do modelo anatômico em 3D com a tecnologia de FDM possibilitou
um PCV cuidadoso, a programação do posicionamento dos implantes, e o treinamento da
equipe cirúrgica. Além disso, o modelo anatômico fixado com os implantes foi utilizado
como guia de navegação durante a cirurgia.
Houve uma dificuldade técnica no posicionamento do modelo anatômico para corresponder
à posição precisa do joelho do paciente na radiografia AP. Por carecer de outras estruturas
anatômicas aderidas ou fixadas, o modelo não contava com referências geométricas e
anatômicas que permitissem a reprodução precisa da técnica radiográfica específica
do joelho. Por isso, os ângulos revelam que o joelho do paciente e o modelo anatômico
não estavam na mesma posição no momento da radiografia, como mostra a [Tabela 2].
Para que a osteossíntese seja estável, os parafusos e a placa devem estar em um ângulo
próximo a 90° em relação à linha de pseudartrose, de acordo com as técnicas da AO.[9] Isso foi alcançado neste estudo, como mostram os dados da [Tabela 3].
Apesar da diferença nos ângulos entre a radiografia do joelho do paciente e o modelo
anatômico, o posicionamento dos implantes foi adequado, com reprodução da técnica
de colocação da placa e parafusos como na simulação no modelo anatômico. Isso promoveu
grande estabilidade de fixação e permitiu a redução satisfatória e a reconstrução
anatômica da articulação.
De acordo com a análise radiográfica, houve grande precisão na reprodutibilidade do
PCV e na simulação cirúrgica em comparação ao desfecho da osteossíntese da pseudartrose
de fratura de Hoffa.
Conclusão
O protocolo proposto para a aquisição e a segmentação da TC da região do joelho de
um paciente com pseudartrose de fratura de Hoffa mostrou-se eficaz para a reconstrução
volumétrica e a “renderização” do modelo anatômico em 3D. O modelo possibilitou um
PCV cuidadoso e a simulação da osteossíntese. A reprodutibilidade da simulação cirúrgica
foi bastante precisa de acordo com a análise radiográfica. O uso do modelo impresso
em 3D foi eficaz e útil no planejamento e no tratamento cirúrgico da pseudartrose
de fratura de Hoffa.
