TÍTULO: CONFECÇÃO DE BIOMODELOS PARA PACIENTES RECÉM-NASCIDOS COM COARCTAÇÃO DA AORTA
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA ÁREA:
SUBÁREA: Engenharias SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO(ÕES): PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE SÃO PAULO - PUCSP INSTITUIÇÃO(ÕES):
AUTOR(ES): VINICIUS OLIVEIRA NASCIMENTO LOURO AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): ROSANA NUNES DOS SANTOS ORIENTADOR(ES):
COLABORADOR(ES): INSTITUTO DANTE PAZZANESE DE CARDIOLOGIA COLABORADOR(ES):
1. RESUMO
A manufatura aditiva é uma tecnologia promissora na medicina cardiovascu-lar, uma vez que, modelos impressos tridimensionalmente auxiliam os profissionais da saúde a desenvolver um planejamento cirúrgico, simulando dificuldades e encon-trando soluções antes de proceder determinada intervenção. Desta maneira, a pro-posta do trabalho foi demonstrar os processos de construção de um biomodelo da aorta de um paciente neonato com coarctação da aorta (CoA). A partir de um conjunto de imagens obtidas por tomografia computadorizada do recém-nascido, realizou-se a técnica de segmentação utilizando o software comercial Mimics. Sucintamente, apli-caram-se algoritmos que converteram as fatias bidimensionais em uma peça tridimen-sional, o qual foi editado para retirar estruturas indesejadas e preservar a morfologia da artéria, enfatizando a cardiopatia. Posteriormente, este resultado foi trabalhado com o propósito de diminuir inconsistências e exportado em formato de arquivo com-patível à prototipagem rápida. Finalmente, a réplica tangível permitiu a visualização acurada da estenose (estreitamento patológico) e possibilitará a otimização da implan-tação de stents endovasculares no tratamento de CoA.
2. OBJETIVOS
Confeccionar biomodelos fiéis ou mais próximos possíveis da anatomia do paciente com cardiopatias congênitas através de imagens de tomografia computado-rizada. Desta forma, serão realizados testes de implantação de protótipos de stents poliméricos bioabsorvíveis, também confeccionados por impressão 3D.
3. INTRODUÇÃO
3.1. SISTEMA CARDIOVASCULAR
O sistema cardiovascular é composto pelo coração, artérias (vasos que par-tem do coração), veias (vasos que chegam ao coração) e capilares. Dentre suas prin-cipais funções estão o transporte de oxigênio e nutrientes para tecidos e órgãos, a eliminação de resíduos e a manutenção da temperatura. Waite & Fine (2007) dividem-no em três subsistemas baseados dividem-no caminho do sangue pelo organismo (circulações sistêmica, pulmonar e coronária).
O coração é um órgão muscular tetracavitário (quatro câmaras que fornecem a força necessária para bombear o sangue) organizado em duas metades indepen-dentes (direita e esquerda). Em síntese, o sangue venoso (desoxigenado) entra no
átrio direito pelas veias cavas superior e inferior e é bombeado para o ventrículo di-reito. Em seguida, vai para os pulmões através das artérias pulmonares e por meio de trocas gasosas (hematose) é retirado o dióxido de carbono e coletado o oxigênio. O sangue arterial (rico em oxigênio) flui dos pulmões pelas veias pulmonares até a aurí-cula esquerda. Quando esta contrai, aquele atinge o ventrículo esquerdo, de onde é ejetado com alta pressão para a aorta. Por fim, o sangue circula por artérias menores em direção aos capilares sistêmicos (vasos muito finos que conectam as artérias e veias formando uma densa rede no interior dos órgãos) e no mesmo momento em que o oxigênio é fornecido às células o dióxido de carbono é recolhido, iniciando nova-mente a circulação cardiovascular (WAITE & FINE, 2007).
Salienta-se a fisiologia da aorta, principal tronco das artérias sistêmicas. Tu et al. (2015) descreve-a estendendo do ventrículo esquerdo na direção ascendente e em sentido ao abdômen na porção descendente. Anatomicamente, ela consiste de três segmentos principais, tais como a aorta ascendente, arco aórtico e aorta descendente (engloba a torácica – arco da aorta até o diafragma – e abdominal – início no diafragma e término na bifurcação em artérias ilíacas comuns direita e esquerda) (Fig. 1).
Figura 1: Segmentos da aorta (Adaptado de TU et al., 2015).
3.2. COARCTAÇÃO DA AORTA
A coarctação aórtica é uma malformação congênita do coração que possui como principal consequência hemodinâmica a obstrução do fluxo sanguíneo (NEVES et al., 2005). Descrita inicialmente por Morgagni em 1760, a anomalia consiste na estenose (estreitamento patológico) em qualquer local da extensão da artéria aorta, normalmente, a constrição clássica localiza-se na porção torácica proximal (Fig. 2)
Artérias ilíacas comuns Arco da aorta Aorta ascendente
Aorta torácica Aorta abdominal
(DOSHI & RAO, 2012). A análise histológica demonstra a presença da túnica média estendendo-se para o lúmen da aorta, mas a causa deste mecanismo patológico ainda é incerta (NGUYEN et al., 2015).
De acordo com Torok et al. (2015) a incidência de casos estimada é 3:10000 nascimentos, representando, assim, 5-8% das doenças cardíacas congênitas, em ou-tras palavras, a coarctação da aorta é a sétima anomalia congênita mais comum que ocorre no coração.
As manifestações clinicas dependem do local da obstrução, da extensão e de anomalias cardíacas associadas – como por exemplo, a valva aórtica bicúspide e a persistência do canal arterial. Segundo NGUYEN et al. (2015) a VAB está presente em 40-60% dos casos. Em suma elas são: insuficiência cardíaca (incapacidade de bombear sangue para satisfazer as necessidades metabólicas do corpo) devido ao aumento da pós-carga do ventrículo esquerdo para manter a perfusão periférica (dis-função ventricular) (DRAKE et al., 2015); hipertensão secundária nos membros supe-riores (DURABIAN et al., 2013); hipotensão nos membros infesupe-riores (DURABIAN et al., 2013); acidente vascular cerebral (DURABIAN et al., 2013); endocardite bacteriana (DURABIAN et al., 2013); dor de cabeça (NGUYEN et al., 2015); hemorragia intracra-niana (DURABIAN et al., 2013) e; infarto (NGUYEN et al., 2015).
Se não tratada, o prognóstico desta doença é ruim. Em vista disso, reco-menda-se como alternativas de tratamento a correção cirúrgica, angioplastia com ba-lão e implante de stents endovasculares (DOSHI & RAO, 2012).
Figura 2: Imagens de ressonância magnética renderizadas de um paciente adulto com CoA (A, visão anterior; B, posterior; AAo, aorta ascendente; DAo, aorta descendente; CoA, coarctação aórtica) (Adaptado de NGUYEN et al., 2015).
3.3. MANIPULAÇÃO DE IMAGENS
Imagens de tomografia computadorizada são importadas em formato DICOM para um software que gera reconstruções volumétricas da morfologia do coração (MA-RAGIANNIS et al., 2015). Esta etapa de processamento caracteriza-se por ser crítica e trabalhosa, pois seu resultado pode influenciar tomadas de decisões da equipe mé-dica (MATHUR et al., 2015).
O principal propósito desta fase é realizar a segmentação das imagens, ou seja, delimitar as regiões cardiovasculares de interesse e excluir as partes não cardí-acas. Para alcançá-lo é necessário dominar a anatomia a ser segmentada com a in-tenção de não eliminar ou alterar estruturas durante o processo (efeito dumb bell) (MEURER et al., 2008). Há uma quantidade enorme de técnicas de segmentação.
Finaliza-se a manipulação de imagens exportando o resultado para o formato STL. que representa a superfície externa do objeto 3D por uma malha de triângulos não uniformes (método marching cubes).
3.4. IMPRESSÃO 3D
Nota-se certo distanciamento entre as reconstruções volumétricas (obtidas pelo pós-processamento) visualizadas em uma tela bidimensional de um computador e a avaliação precisa das relações espaciais em corações com malformações congê-nitas (MEURER et al., 2008). Logo, a impressão 3D foi introduzida na medicina cardi-ovascular e possibilitou a criação de modelos cardíacos impressos especificamente para cada paciente, pois estes apresentam morfologias e prognósticos variados (FA-ROOQI, 2017).
De acordo com Noecker et al. (2006) modelos físicos representando doenças cardíacas eram confeccionados antigamente a partir de cera de parafina ou fundição de silicone em corações post mortem. Atualmente, a criação destes objetos inicia-se com base em um conjunto de imagens médicas. Relata-se que a tomografia compu-tadorizada e a ressonância magnética são as modalidades de imagens mais comuns para construir réplicas das anatomias intracardíacas das câmaras do coração e extra-cardíacas dos grandes vasos (BYRNE et al., 2016).
A técnica de impressão tridimensional existente no instituto no qual será de-senvolvida a pesquisa científica é a Polyjet da fabricante Objet Geometries (subsidiá-ria da Stratasys). Sucintamente, camadas de resina fotopolimérica são jateadas sobre
uma plataforma e solidificadas (curadas) instantaneamente por uma fonte de luz ul-travioleta, formando, após jateamentos sucessivos, o protótipo 3D esboçado anterior-mente por softwares específicos sem a necessidade de pós-cura (TAPPA & JAMMA-LAMADAKA, 2018). A fim de evitar o colapso de estruturas, um gel de suporte é inje-tado em conjunto com o material do modelo e, posteriormente, retirado facilmente com a mão e água (LIU, 2013).
Atualmente, as ferramentas mais utilizadas durante a consulta médica pelos cardiologistas são vídeos, desenhos, panfletos e imagens médicas (BIGLINO et al., 2014). Todavia, diversos estudos explicitam as diversas vantagens que o uso de mo-delos 3D do coração possui na prática clínica, tais como: visualização do local e di-mensões da lesão cardíaca (BIGLINO et al., 2014); planejamento e simulação cirúrgi-cos (SHIRAISHI et al., 2006); redução no tempo cirúrgico, no tempo de anestesia e no risco de infecções (MEURER et al., 2008); redução no custo global do tratamento (MEURER et al., 2008) e; personalização de próteses, como avaliações da dimensão e posição das endopróteses vasculares expansíveis. Como descrito por Valverde et al. (2015) modelos 3D rígidos não permitem a expansão da parede dos vasos quando ocorre a insuflação do balão, por outro lado, protótipos flexíveis permitem a simulação do implante de stents devido às propriedades do seu material (Fig. 3).
Figura 3: Comparação de implantação de um stent endovascular em um modelo 3D (A1 a D1) e uma intervenção real no paci-ente (A2 a D2) (VALVERDE et al., 2015).
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1. LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO
A pesquisa bibliográfica englobou uma quantidade vasta de artigos e livros que reportavam coarctação aórtica, persistência do canal arterial, imagens por tomo-grafia computadorizada, métodos de obtenção de biomodelos e impressão 3D. Houve critérios de elegibilidade, desta maneira, publicações na maioria em inglês, em um período de dezessete anos, foram selecionadas para a base deste trabalho. Utilizou-se a biblioteca virtual disponível na Pontifícia Universidade Católica de São Paulo, Periódicos CAPES/MEC, a qual reúne uma gama de produções científicas internacio-nais. Menciona-se também a elaboração de listas de vocabulários, facilitando o en-tendimento de termos da área médica e de outros campos abordados nesta pesquisa.
4.2. PACIENTE NEONATO
Imagens médicas foram obtidas por tomografia computadorizada de um paci-ente recém-nascido do sexo masculino de 27 dias de vida, com coarctação da aorta em localização clássica e persistência do canal arterial. O escaneamento foi realizado por um tomógrafo Discovery RT da General Eletric Company com 64 fileiras de detec-tores. Desta forma, aquelas foram importadas para o software Mimics com o propósito de realizar a segmentação e o resultado exportado em formato de arquivo compatível à técnica de impressão PolyJet.
5. DESENVOLVIMENTO
5.1. SOFTWARE COMERCIAL MIMICS
A execução do projeto foi desenvolvida no Instituto Dante Pazzanese de Car-diologia, o qual disponibilizou recursos fundamentais para a conclusão da pesquisa, tais como o software comercial Mimics (Materialise, Leuven, Belgium) e computadores com características imprescindíveis para lidar com um grande volume de imagens de tomografia computadorizada.
As imagens do coração foram extraídas do Sistema de Comunicação e Arqui-vamento de Imagens (PACS) do IDPC e, posteriormente, exportadas para o programa de segmentação mencionado. Desta forma, utilizou-se a ferramenta “Dynamic Region Growing” com o intuito de originar uma máscara a partir do ponto selecionado (aorta) e preencher todas as cavidades nas múltiplas camadas, sem a necessidade de definir
um intervalo de limiar. Por conseguinte, aplicou-se um algoritmo (“Calculate 3D”) que resultou na anatomia cardíaca tridimensional. Em seguida, estruturas indesejadas fo-ram retiradas e a morfologia da aorta preservada (“Edit Mask in 3D”), enfatizando a CoA e PCA. Finalmente, calculou-se um novo objeto 3D em resolução ótima e suavi-zada (“Smoothing”) para visualizar as mudanças empreendidas (Figs. 4 e 5).
Figura 4: Máscara mostrando possível local da CoA e PCA (delimitado pelo círculo) em uma imagem tomográfica - plano coro-nal.
Figura 5: Morfologia da aorta apresentando a CoA e a PCA. A edição bidimensional foi também utilizada para preencher bura-cos restantes.
6. RESULTADOS
6.1. BIOMODELO DA AORTA
O resultado da segmentação tornou-se um perfeito candidato para a impres-são 3D. A figura 6 apresenta o biomodelo rígido da aorta, em uma escala 1:1, enfati-zando apenas a coarctação. O primeiro teste foi realizado para constatar a eficiência do processo de manipulação das imagens e o quanto a reprodução era fidedigna com o conjunto de imagens de tomografia computadorizada.
Figura 6: Modelo 3D da aorta enfatizando a CoA de um paciente de 27 dias de vida.
7. CONCLUSÕES
O biomodelo da aorta com coarctação mostrou-se fiel ou o mais próximo às imagens de tomografia computadorizada, considerando algumas incertezas relacio-nadas ao processo de segmentação. Os objetivos propostos foram alcançados, pois obteve-se o primeiro biomodelo da CoA impresso em 3D com material rígido para manuseio do formato e dimensões, o qual será substituído, brevemente, por material flexível capaz de reproduzir a elasticidade da artéria. Desta maneira, pretende-se que o cardiologista possa visualizar as relações espaciais da real anatomia e da doença, permitindo simular procedimentos de implantação de stents endovasculares, colabo-rando na redução de cirurgias invasivas.
8. REFERÊNCIAS
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