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INGENIERÍA BIOMÉDICA

Simuladores para la medicina

Muñecos que imitan bebés y reproducciones de partes del cuerpo humano producidos en impresoras 3D innovan en la enseñanza y en la planificación de cirugías

Léo Ramos El bebé Gigi, arriba, modelo para cirugías de craneosinostosis y de hidrocefaliaLéo Ramos

Parece un muñeco de bebé de aquéllos con los cuales juegan los niños. Tiene el peso y la piel iguales que un recién nacido verdadero, pero la cabeza presenta alargamientos o deformidades típicas de humanos que nacen con craneosinostosis, la fusión precoz de las suturas de los huesos craneales. El diseño de modelos de bebés con esta enfermedad y también con hidrocefalia, cuando el niño exhibe una cabeza mayor como consecuencia de la acumulación irregular de líquido cefalorraquídeo en cavidades del cerebro, constituye el trabajo de la neurocirujana pediátrica Giselle Coelho, del Hospital Santa Marcelina, en São Paulo, quien realiza su doctorado en la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo (FM-USP), y una parte del mismo en el Boston Children’s Hospital de la Universidad Harvard, en Estados Unidos, en el denominado formato sándwich. Desde los tiempos de la formación en la residencia médica en neurología, Coelho notaba la falta de modelos más evolucionados para entrenar las cirugías.

El simulador, tal como lo denomina Coelho, es un modelo que permite que el médico residente se entrene en los procedimientos de diversas técnicas con el bisturí y otros instrumentos quirúrgicos. Cuando ocurre algún error, tal como el corte de una vena, por ejemplo, el modelo “sangra”. Con el bebé simulador, Coelho ganó en 2015, a los 36 años, el premio Joven Neurocirujano concedido por la Federación Mundial de Sociedades de Neurocirugía (WFNS, por sus siglas en inglés). Las piezas, fabricadas de silicona y resina, se produjeron en Prodhelphus, una empresa de la ciudad de Olinda (Pernambuco) que fabrica material para la enseñanza médica, con financiación del Instituto de Desarrollo de la Educación e Innovación Científica (Siedi, por sus siglas en inglés) de São Paulo.

La creación de la figura del bebé modelo es de los artistas plásticos Jair Lyra, Josemi Fabrício y Georgina Barreto, por eso su nombre, Gigi, que unió los nombres de la médica y de la artista. El proyecto contó también con la colaboración científica del docente Benjamin Warf, de la Universidad Harvard. El desarrollo y la validación tuvieron la colaboración de la profesora Nelci Zanon, del Departamento de Neurocirugía de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp). Los bebés forman parte del doctorado de Coelho, dirigido por el profesor Manoel Jacobsen, de la FM-USP. Los simuladores tienen la estructura del cráneo, sensible a los rayos X porque aparecen en las radiografías. “La parte ósea del modelo es importante para definir y entrenar la mejor técnica quirúrgica de acuerdo con la anatomía del paciente, principalmente en la osteotomía, la parte de la operación en la cual es necesario cortar el hueso y remodelarlo”, explica Coelho. Pero esa característica le trajo problemas en un viaje a Estados Unidos. Con el bebé  modelo dentro de la maleta, la demoraron en el aeropuerto bajo la sospecha de que estaba viajando con un cráneo en el equipaje. Tras muchas explicaciones, la dejaron proseguir.

Léo Ramos Un modelo de seno para la visualización de pequeños tumores y quistes con aparatos de ecografíaLéo Ramos

El uso de simuladores está creciendo en la medicina. Antes, lo más usado en el aprendizaje en las escuelas de medicina eran los cadáveres; y sigue usándoselos, pero en menor cantidad. Los indocumentados –el origen más común de los cuerpos– disminuyeron mucho debido a las nuevas formas de identificación, tal como el examen de ADN, y además en algunos  procedimientos el uso de cadáveres no se aplica. “Los muertos no tiene piel y músculos con la consistencia y la resistencia de una persona viva. El simulador logra reproducir al máximo al paciente con una patología específica”, comenta Coelho. Los Gigis pasan ahora por las validaciones de dos grupos de cirujanos: los experimentados, que ya le dieron un visto bueno al uso del simulador, y los médicos residentes, quienes actualmente están probando el aparato. Una vez  finalizada esta fase, Coelho decidirá de qué manera podrán usarse esos simuladores en otros hospitales y universidades.

Otra iniciativa brasileña en el área de simuladores médicos pertenece a la empresa Gphantom, de Ribeirão Preto, que desarrolló y lanzó recientemente productos para su uso en entrenamientos de ecografía. Uno de ellos es de una mama, en la cual el alumno de medicina logra visualizar pequeños tumores o quistes, aparte de entrenar la biopsia en el modelo utilizando una aguja. El otro modelo es una pieza que simula una parte de tejido humano para pruebas de acceso venoso, práctica de biopsias, entrenamiento de ecografías y aplicación de anestesia.

Dos alumnos de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de Ribeirão Preto de la Universidad de São Paulo (FFCLRP), el físico médico y doctorando Felipe Grillo y la química y maestranda Michelle Ferreira da Costa Abrãao, fundaron la empresa en el año 2013. “En mi maestría empecé a estudiar esos modelos, a los que en el exterior se les llama phantoms [fantasmas en inglés], y desarrollé uno para el entrenamiento de biopsia de tiroides. Esos modelos eran una línea de investigación del Grupo de Innovación e Instrumentación Médica y Ecografía [Giimus] en el cual participé en la USP”, dice Grillo. Los modelos de ese tipo hasta entonces se importaban. El empresario dice que empresas que fabrican aparatos de ecografía, tales como Ericsson, GE y Konica-Minolta, ya utilizaron los simuladores de Gphantom con el objetivo de demostrar sus aparatos en ferias y congresos, por ejemplo. Han salido al mercado alrededor de 200. Hasta ahora, de las instituciones de enseñanza, la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC) compró a pedido de un profesor modelos para que los use un alumno de maestría. Cada pieza que simula una mama cuesta 550 reales, y las que se emplean en entrenamientos de procedimientos de anestesia y biopsias cuestan 600 reales. Grillo explica que el material es reciclable. “Después de un desgaste natural, con agujeros de agujas, la pieza puede retornar a la empresa y vale hasta la mitad del valor de una nueva adquisición.”

LÉO RAMOS Corazón impreso: a partir de la imagen de la resonancia, la pieza muestra áreas de calcificación, en blanco en el interior del órganoLÉO RAMOS

El avance de la tecnología de impresoras 3D, capaces de imprimir con polímeros todo tipo de piezas plásticas, también propicia la elaboración de modelos médicos personalizados de una parte del cuerpo del paciente que pasará por cirugía. BioArchitects, una empresa paulistana de tecnología de medicina que produce biomodelos con impresoras 3D desde el final de 2015, concertó acuerdos con algunos médicos, que son docentes en universidades, para ofrecer los modelos para la realización de pruebas. A cambio, los cirujanos se comprometen a relatar en artículos científicos la experiencia de trabajar con las réplicas en 3D. “Con base en exámenes de resonancia magnética o tomografía, nuestros bioingenieros transforman las imágenes en modelos tridimensionales que retratan la situación del paciente”, comenta Felipe Marques, director ejecutivo de la empresa. La producción del biomodelo con formas, textura, flexibilidad y consistencia muy cercanas a lo real es posible porque la impresora de origen israelí puede utilizar nueve tipos de polímeros en una misma impresión, mezclando dosificaciones de cada uno para formar piel, tejidos subcutáneos y huesos. Los colores que diferencian órganos, tejidos y huesos también pueden elegirse mediante la mezcla de polímeros.

En Curitiba, un biomodelo de la empresa contribuyó en la planificación de una cirugía de trasplante de hígado en la cual una parte de la cavidad abdominal de un bebé se reprodujo en la impresora. El niño de 10 meses recibió el diagnóstico de atresia de las vías biliares. Para preparar mejor la cirugía de extracción de un fragmento del hígado del padre y la posterior implantación del mismo en el bebé, el médico envió a São Paulo las imágenes de la tomografía de niño, a BioArchitects. Tras cinco días, el material estaba listo y fue enviado a Curitiba. “En este tipo de cirugías, el tamaño adecuado es sumamente importante, pues si el órgano queda mayor puede producirse un síndrome de compresión en el cual el abdomen debe quedar abierto hasta que disminuya el edema”, explica el cirujano Júlio Cesar Wiederkehr, docente del Departamento de Cirugía de la Universidad Federal del Paraná (UFPR), quien vivió esa situación a comienzos de año. Además esa operación, hizo otra para extraerle un tumor del hígado de un paciente. “Nos deparamos frecuentemente con variaciones anatómicas en el momento de la cirugía; lo más importante es saber la posición del tumor con relación a las estructuras del órgano y también a las adyacentes”, explica. “El uso de los modelos 3D puede tener aplicaciones variadas en neurocirugía, ortopedia, cirugía cardíaca y cirugía hepatobiliar, entre otras”, explica Wiederkehr.

En general, el uso de esos modelos médicos en 3D personalizados es indicado para cirugías más complejas, cuando se hace necesaria una planificación previa. “Las cirugías de cardiopatías congénitas y aquéllas que requieren más de una técnica se planificarán mejor si contamos con un biomodelo para simular la corrección más adecuada”, afirma el cardiólogo Luiz Antônio Rivetti, docente de la Facultad de Medicina de la Santa Casa de São Paulo, quien también experimentó los productos de la empresa. Rivetti utilizó el modelo en 3D para visualizar un aneurisma de ventrículo izquierdo, una patología que ocurre con entre el 10% y el 15% de las personas que padecen infarto de miocardio. “Con este modelo, supimos con precisión la extensión del problema, aparte de tener la certeza en cuanto la extensión de la fibrosis que debía extraerse”, dice el cardiólogo. “Fueron tres casos operados, con resultados muy buenos, en los cuales logramos seleccionar previamente la mejor técnica”. Rivetti presentará los resultados con los biomodelos en el congreso mundial de la The World Society of Cardiothoracic Surgeons, este mes, en Sudáfrica.

LÉO RAMOS El proceso de finalización del modelo para la aplicación de una placa de titanio en las costillasLÉO RAMOS

Beneficios adicionales
Los biomodelos de BioArchitects cuestan entre 4 mil y 5 mil reales. El director de la empresa, Felipe Marques, prevé que el precio bajará con el aumento de la demanda. “En algunas cirugías, como las de fracturas múltiples de costillas, en la cual el cirujano moldea las placas de titanio según la curvatura anatómica de los huesos de cada paciente, los biomodelos han experimentado una reducción de costos y de tiempo quirúrgico con la planificación previa de la patología del paciente. En una de esas cirugías, el médico utilizó el biomodelo el día anterior al procedimiento para entrenar y llevó las placas ya personalizadas para la fijación en las costillas”. Según Marques, existen beneficios en todas las esferas: el hospital aumenta la cantidad de cirugías por quirófano, la aseguradora tiene previsibilidad de uso y disminución de la cantidad de material, los cirujanos pueden planificar y prever posibles dificultades en la operación y el paciente queda menos susceptible a padecer infecciones.

El mercado de impresión en 3D mueve actualmente alrededor de 4.500 millones de dólares en el mundo, según la consultora estadounidense ATKearney. Se estima que trepará a 17.200 millones de dólares en 2020. El sector de salud representa alrededor del 15% de ese total y ascenderá hasta el 25% en los próximos cuatro años.

La utilización de los modelos médicos se midió en un trabajo publicado en un artículo científico en la revista Surgery en junio de este año, en el cual se analizaron 158 artículos científicos sobre el uso de productos en 3D entre 2005 y 2015.  La elaboración del mismo estuvo a cargo de investigadores del Hospital Georges Pompidou y de la Universidad París-Sur, en Francia. El estudio indicó que la impresión tridimensional está volviéndose cada vez más importante en  medicina, especialmente en las cirugías, y evaluó ventajas y desventajas del uso de los modelos. Este procedimiento ya se probó en 37 países, entre ellos China, Alemania y Estados Unidos. Los estudios indican que el 50% de los modelos se utilizaron en cirugías del área bucomaxilofacial y el 24,7% en operaciones ortopédicas. Del total de los estudios, el 71,5% reportó usos de esos modelos en cirugías. Un porcentaje menor, del 9,5%, mostró el uso de impresoras 3D para producir implantes o prótesis personalizadas, y el 6,3% en el proyecto de moldes o prótesis faciales, tales como las de oreja y nariz. Entre las ventajas para los médicos en las cirugías, este estudio identificó la mejor visualización de malformaciones y anticipaciones de dificultades anatómicas, aparte de la disminución del tiempo de la cirugía y de complicaciones en el posoperatorio tales como hemorragias e infecciones. Las desventajas están en el largo tiempo de preparación del modelo y en la necesidad de tiempo adicional para la planificación del preoperatorio, además de los costos adicionales referentes a la adquisición del modelo.

Proyecto
Análisis de factibilidad técnica y comercial de simuladores sintéticos del tejido biológico para el entrenamiento en procedimientos médicos guiados por ecografía (nº 2014/ 50414-9); Modalidad Programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigador responsable Felipe Grillo (Gphantom); Inversión R$ 100.875,00.

Artículos científicos
MARTELLI, N. et al. Advantages and disadvantages of 3-dimensional printing in surgery: A systematic review. Surgery. On-line. ene. 2016.
COELHO, G. et al. New anatomical simulator for pediatric neuroendoscopic practice. Child’s Nervous System. v. 31, n. 2. feb. 2015.

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