Case Abstract
A 38 years old male patient from Cali, Valle del Cauca, Colombia, whose occupation is inventory assistant, was admitted to the clinic for presenting two years of severe pain in the sternum where he is referred to thoracic surgery and a hard lesion on the sternal manubrium with incipient trophic changes is detected by palpation. Bone scintigraphy shows osteoblastic changes in the sternal manubrium unlike tumor vs infection and computed tomography (CT) shows expansive lytic lesion of the sternum in the manubrium, mainly because it extends to the joint with the third rib without involvement of intrathoracic organs with cleavage plane of the mediastinal vascular structures and without other lesions.
After the evaluation, a resection of the sternum, ribs and clavicle is indicated to have an oncological resection and later to reconstruct the chest wall with osteosynthesis material that allows to have protection of the mediastinal structure and to continue with the function of the sternum in respiratory physiology of the thoracic wall, in addition to the contest with plastic surgery for the coverage of the material and prevention of infections.
For the reconstruction, the segmentation and digital processing of the tomographic images of the patient was carried out and later a reconstruction using CAD design techniques made using the tools of Mimics Innovative Suite from Materialise NV (Mimics Medical 21.0 and 3- Matic Medical 13.0). Additionally, by means of 3D printing techniques by FDM, it was possible to obtain the biomodels from which the surgical technique was planned and the proportion of the tumor resection and finally to reconstruct in polymethylmethacrylate (PMMA) the portion of bone lost achieving thus the restoration of rib cage anatomy of the patient.
Resumen del Caso
A continuación, se describe el caso de un paciente varón de 38 años de la ciudad de Cali, Valle del Cauca, Colombia, con ocupación de auxiliar de inventario, que ingresa a consulta por presentar dos años de dolor intenso en el esternón, el cual es remitido a cirugía de tórax donde se detecta mediante palpación una lesión dura sobre el manubrio esternal con cambios tróficos incipientes. La gammagrafía ósea muestra cambios osteoblásticos en el manubrio esternal a diferencia de tumor vs infección y la tomografía axial computarizada (TAC) muestra lesión expansiva lítica del esternón en el manubrio, principalmente porque se extiende hasta la articulación con la tercera costilla sin compromiso de órganos intratorácicos con plano de clivaje de las estructuras vasculares mediastinales y sin otras lesiones.
Posterior a la evaluación se indica una resección del esternón, costillas y clavícula para tener una resección oncológica y posteriormente hacer una reconstrucción de la pared torácica con material de osteosíntesis que permita tener protección de la estructura mediastinal y continuar con la función del esternón en la fisiología respiratoria de la pared torácica, además del concurso con cirugía plástica para la cobertura del material y prevención de infecciones.
Para la reconstrucción, se realizó la segmentación y el procesamiento digital de las imágenes tomográficas del paciente y posteriormente una reconstrucción mediante técnicas de diseño CAD realizadas a partir de las herramientas de Mimics Innovation Suite de la compañía Materialise NV (Mimics Medial 21.0 y 3-Matic Medical 13.0). Adicionalmente mediante técnicas de impresión 3D por FDM, se lograron obtener los biomodelos a partir de los cuales se realizó la planeación de la técnica quirúrgica y la proporción de la resección del tumor y finalmente lograr reconstruir en polimetilmetacrilato (PMMA) la porción de perdida ósea logrando así la restauración de la anatomía de la caja torácica del paciente.
Materiales y método.
La zona del tórax comprende diferentes tipos de tejidos debido a la composición de los órganos presentes. Para lograr un óptimo procesamiento de las imágenes con el fin de extraer las diferentes estructuras, se llevó a cabo el proceso de segmentación, en el que se analizan las diferentes frecuencias de grises de los tejidos existentes y se utilizan herramientas de corte y operaciones booleanas para extraer estas estructuras.
El proceso que se muestra a continuación contiene el flujo de trabajo con el especialista, para obtener finalmente un modelo implantable que servirá para la reconstrucción del manubrio del esternón.
1. Filtrado, segmentación y visualización 3D.
Para la planeación quirúrgica del reporte clínico del caso en mención fue necesario extraer las siguientes estructuras:
Tabla 1. Segmentaciones de las estructuras de la caja torácica y umbrales de filtro asociadas a la segmentación.
| TIPO DE TEJIDO | ESTRUCTURA ESPECÍFICA; | UMBRALES MIN – MÁX SEGMENTACIÓN [HU] |
| Tejidos Duros | Esternón (Manubrio – Apófisis Xifoides - Cuerpo) Costillas (Completas y bilaterales) Clavículas (Bilaterales) Omoplatos (Bilaterales) Columna Vertebral (En plano que abarque hasta costillas flotantes). |
226 – 2524 226 – 3070 226 – 3070 226 – 3070 226 – 2524 |
| Tejidos Blandos | Corazón Cartílagos Pulmones |
101 – 583 98 – 661 (-1024) – (-349) |
Una vez se realizó el filtrado de las imágenes se procedió con las herramientas de segmentación y operaciones booleanas a definir las estructuras las cuales tuvieron la siguiente transformación (De colección de pixeles o máscara a sólido reconstruido):
Tabla 2. Detalle de la segmentación de las estructuras anatómicas relevantes para la reconstrucción de manubrio esternal.
| TIPO DE TEJIDO | ESTRUCTURA ESPECÍFICA | SIN PROCESAMIENTO DE LA IMAGEN |
DESPUÉS DE SEGMENTACIÓN, TRATAMIENTO Y CONVERSIÓN A SÓLIDO |
| Tejidos Duros | Esternón (Manubrio – Apófisis Xifoides - Cuerpo) |
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| Costillas (Completas y bilaterales) y columna vertebral (En plano que abarque hasta costillas flotantes). |
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| Clavículas (Bilaterales) |  |
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| Omoplatos (Bilaterales) |
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| Tejidos Blandos | Cartílagos |  |
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| Pulmones |  |
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| Modelo Completo |  |
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Para la visualización 3D y el diseño de la prótesis se utilizó el software Mimics Medical 21.0 (Materialise NV, Leuven, Belgium) y se reconstruyó un modelo 3D del tórax a partir de las imágenes tomográficas del paciente, se planificó la resección del tumor y parte de las costillas correspondientes bajo la regla de dejar un margen de distancia con el tejido que se presume maligno de 30 mm.
El diseño de la prótesis fue basado en la anatomía del paciente, pero con un grosor continuo por toda la prótesis de tan solo 4 mm y con orificios en el centro para permitir la circulación de los fluidos vecinos y evitar procesos de infección y seromas.
2. Planeación Quirúrgica y diseño:
Para este modelo se plantearon tres alternativas presentadas al especialista, donde la primera consistía en un modelo similar a la parte a resecar, pero conservando un grosor más delgado de 1cm, debido a que su anatomía actual no era adecuada puesto que era un proceso tumoral. El segundo diseño, pertenecía a una placa delgada con las dimensiones del esternón actual, pero un grosor de 4mm. El tercer diseño, el seleccionado, debía ser un poco más pequeño que las dimensiones originales debido a los tejidos circundantes y el proceso inflamatorio que tenía, de acuerdo al especialista. Adicionalmente, el material de fijación ganaría volumen en la reconstrucción de la estructura.
Tabla 3. Alternativas de diseño, prótesis de manubrio esternal.
| ALTERNATIVA DE DISEÑO | DISEÑO | SOBREPOSICIÓN SOBRE LA ESTRUCTURA |
| A |
  Grosor: Lateral más Ancho: Lateral Más Alto: 10 mm 70 mm 124 mm |
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| B |
  Grosor: Lateral más Ancho: Lateral Más Alto: 4 mm 56 mm 105 mm ** El especialista solicita que no se tengan las ramificaciones a la articulación esternoclavicular puesto que en su técnica quirúrgica dejaría libre al paciente en este punto, por tal razón quedo únicamente con los 4 puntos de anclaje que se unirán a las costillas. |
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| C |
  Grosor: Lateral más Ancho: Lateral Más Alto: 4 mm 45 mm 90 mm |
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3. Impresión 3D por FDM y fabricación de prótesis en metil.
Después de realizar tres revisiones de diseño con el especialista, se opta por las dimensiones más pequeñas para la prótesis y finalmente se imprimen en 3D los biomodelos del caso, para ser validados y fabricados en el material final biocompatible:
Impresión 3D - Esternón completo del paciente y Biomodelos prototipo de prótesis.
Resultados obtenidos del caso.
La cirugía para la implantación tuvo una duración total de 4 horas de las cuales 25 minutos fueron dedicados exclusivamente para la colocación del implante. El paciente, después de la cirugía, presenta movilidad normal de sus extremidades superiores y se conserva la función respiratoria y su caja torácica funciona con normalidad.
El material PMMA ha respondido bien en el paciente, presenta una evolución estable y no tiene problemas de movilidad de las articulaciones esternoclaviculares que unen el manubrio a las clavículas puesto que estas quedaron libres, es decir, sin material de osteosíntesis que las fije a este punto y lo vuelva rígido.
L-100454