Arq Bras Cardiol abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC 9fk8zjmf5hpKWjsSqmJVqTC S0066-782X2024000200503 00503 10.36660/abc.20220866 Carta Científica Impressão 3D na Avaliação de Pericardite Constritiva 0000-0003-1878-2293 Abrantes Juliana Cadilho Concepção e desenho da pesquisa Obtenção de dados Análise e interpretação dos dados Redação do manuscrito 1 Turque Fernanda Obtenção de dados Análise e interpretação dos dados Redação do manuscrito 1 0000-0002-8217-851X Demier Bernardo Fróes Concepção e desenho da pesquisa Obtenção de dados 2 0000-0002-3030-2718 Neves Daniel Gama Obtenção de dados Análise e interpretação dos dados Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo intelectual importante 3 0000-0002-3988-4304 Yahiro Davi Shunji Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo intelectual importante 4 Kubo Tadeu Takao Almodovar Obtenção de dados 4 Canale Leonardo Concepção e desenho da pesquisa Obtenção de dados 1 0000-0002-1466-9413 Mesquita Claudio Tinoco Concepção e desenho da pesquisa Obtenção de dados Análise e interpretação dos dados Obtenção de financiamento Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo intelectual importante 5 Universidade Federal Fluminense Hospital Universitário Antônio Pedro Niterói RJ Brasil Universidade Federal Fluminense - Hospital Universitário Antônio Pedro, Niterói, RJ – Brasil Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro RJ Brasil Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ – Brasil Diagnósticos da América AS Niterói RJ Brasil Diagnósticos da América AS, Niterói, RJ – Brasil Universidade Federal Fluminense Niterói RJ Brasil Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ – Brasil Universidade Federal Fluminense Faculdade de Medicina Departamento de Radiologia Niterói RJ Brasil Universidade Federal Fluminense - Faculdade de Medicina - Departamento de Radiologia, Niterói, RJ – Brasil Correspondência: Juliana Cadilho Abrantes • Universidade Federal Fluminense - Hospital Universitário Antônio Pedro - Radiologia Av. Marquês do Paraná, 303. CEP 24033-900, Centro, Niterói, RJ – Brasil E-mail: julianacadilho@id.uff.br

Editor responsável pela revisão: Nuno Bettencourt

 05 04 2024 2024 121 2 e20220866 21 03 2023 07 08 2023 04 10 2023 This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License Palabras clave: Pericardite Constritiva/cirurgia Pericardiectomia Imagem Tridimensional/métodos Educação Médica Modelos Anatômicos Planejamento de Assistência ao Paciente Introdução

A pericardite constritiva é uma doença pouco frequente e seu diagnóstico muitas vezes é feito tardiamente.1 A pericardiectomia radical é o procedimento mais indicado em casos de pericardite constritiva,2 entretanto, trata-se de uma cirurgia complexa e demorada. Estes aspectos são potencialmente interessantes para o uso da impressão 3D no planejamento cirúrgico, pois o estudo do modelo impresso pela equipe de saúde permite melhor compreensão da área cirúrgica, obtendo um planejamento mais eficiente.3-5

Estudos também têm apresentado resultados satisfatórios na educação médica, principalmente em anatomia,6,7 com relatos de impressão de modelos anatômicos de alta fidelidade, incluindo exemplares com defeitos cardíacos congênitos.8 Apesar disso, até o momento, não há relatos do uso da impressão 3D cardíaca no orientação cirúrgica e tampouco no ensino sobre a pericardite constritiva.

Diante disso, a partir do caso de uma paciente com pericardite constritiva grave, avaliamos por meio da impressão 3D a extensão retirada de pericárdio durante a pericardiectomia total. Utilizamos o modelo 3D impresso para ensinar para estudantes de graduação e pós-graduação em ciências cardiovasculares sobre a pericardite constritiva e explicar como é realizado o procedimento de pericardiectomia radical. O objetivo deste relato é, portanto, demonstrar o uso da impressão 3D na educação médica de casos de pericardite constritiva e demonstrar a possibilidade do uso desses modelos no planejamento cirúrgico da pericardiectomia radical.

 Relato de caso

Uma paciente de 51 anos apresentou desconforto abdominal pós-prandial há 5 anos, sendo diagnosticada com cirrose hepática e encaminhada ao hepatologista. Apresentava ao exame, ascite leve e ausência de edema de membros inferiores. Após avaliação do especialista, foi iniciada espironolactona e furosemida. O diagnóstico de cirrose foi refutado, e a paciente foi encaminhada posteriormente a cardiologia devido a calcificação na região do pericárdio. Em 2021, a paciente foi internada por pericardiectomia radical, com circulação extracorpórea de 110 minutos. No pós-operatório a paciente evoluiu com drenagem de grande quantidade de líquido (transudato) por ambos os drenos (Hemotórax direito e esquerdo). Após a retirada dos drenos, foi encaminhada para a enfermaria da Cardiologia, onde permaneceu por 7 dias, recebendo alta para domicílio. A análise histopatológica demonstrou pericardite calcificada. Após a cirurgia foi realizada a impressão 3D do coração e do pericárdio através de imagens de TC realizadas no pré-operatório. O objetivo foi compreender melhor a extensão da doença e o potencial benefício da abordagem cirúrgica.

Técnica de Impressão 3D

O modelo impresso originou-se de imagens tomográficas do tórax contrastadas, que foram segmentadas selecionando apenas o coração e o pericárdio (Figura 1a; Figura 1b). A imagem foi transformada em um modelo digital salvo no formato Standard Tesselletion Language (STL) em um programa de design assistido por computador chamado 3D Slicer (Figura 2a). O procedimento de segmentação durou aproximadamente 2 horas. O modelo foi impresso por meio da tecnologia Fused Deposition Modelling (FDM) que produz peças camada por camada, ao aquecer e extrudar filamentos termoplásticos.9 A impressão do coração foi realizada na impressora GTMAX® em baixa qualidade com duração de 20 horas e 55 minutos e o pericárdio foi impresso em uma impressora PRUSA® em ultra qualidade em 21 horas e 12 minutos. Os pesos e tamanhos dos modelos impressos foram, coração 191g com 15% de preenchimento tipo grade com LxPxA: 12,6 × 11,3 × 14,9 cm, pericárdio 94 g com 100% da peça preenchida com LxPxA: 9,7 × 12,2 × 10,2 cm.

1a) Tomografia Computadorizada do coração com pericárdio calcificado. 1b) Renderização 3D da imagem tomográfica do coração com pericárdio calcificado.

Foi possível observar na cirurgia o comprometimento extenso do átrio e do ventrículo direito pela calcificação do pericárdio enquanto o ápice do coração estava livre de calcificação, este padrão de calcificação foi reproduzido fielmente no modelo impresso, sendo possível perceber com exatidão o formato e a espessura do pericárdio calcificado (Figura 2b). Durante a segmentação da imagem, notou-se a identificação fidedigna do cálcio presente no pericárdio ao compararmos com a densidade encontrada nas vértebras (Figura 2a).

2a) Processo de segmentação da imagem tomográfica e criação do modelo 3D em STL no programa 3D Slicer. Na imagem é possível observar o processo de delimitação do miocárdio em vermelho o do pericárdio calcificado em amarelo. 2b) Modelos impressos em 3D do coração em branco e pericárdio calcificado em preto, acoplados. O ápice do coração está localizado onde aponta a seta verde.

As limitações na qualidade do modelo digital foram a não realização da TC sincronizada ao eletrocardiograma (ECG) e a aquisição em uma fase venosa mais precoce ou uma fase arterial, certamente teriam acarretado uma qualidade da segmentação melhor, o que implicou em menor acurácia do modelo. Entretanto, o fato não comprometeu o entendimento da pericardite constritiva. Desta forma, o modelo não seria indicado em caso de planejamento cirúrgico, no entanto, ele foi utilizado para fins educacionais, demonstrando as estruturas da pericardite constritiva e como foi realizado o procedimento cirúrgico de pericardiectomia total.

A impressão 3D se apresentou apropriado no ensino-aprendizado das características anatomofuncionais da pericardite constritiva para pacientes e profissionais de saúde, e demonstrou a existência da possibilidade do uso da impressão 3D com potencial no planejamento cirúrgico em casos de pericardiectomia.

 Discussão

A utilização da impressão 3D na medicina tem sido alvo de crescente interesse e investigação, oferecendo novas perspectivas para o diagnóstico, planejamento cirúrgico e educação médica.10 Neste trabalho, apresentamos a experiência de aplicação da tecnologia de impressão 3D em uma pericardiectomia total, ressaltando seu potencial para fins educacionais e planejamento cirúrgico, mesmo que não tenha sido usada diretamente para o planejamento pré-cirúrgico.

Em relação à dimensão educacional, a impressão 3D possibilita uma visualização tátil e tridimensional das complexas relações anatômicas, tornando-se uma ferramenta poderosa para treinamento prévio, aprimoramento de habilidades técnicas e compreensão mais aprofundada da anatomia cardíaca.8 A utilização da impressão 3D como recurso educacional pôde promover a colaboração interdisciplinar, permitindo que cardiologistas, cirurgiões e radiologistas trabalhassem de forma integrada na compreensão dos detalhes anatômicos e no aprimoramento das estratégias de abordagem cirúrgica. Além de ser valiosa para alunos de graduação da área da saúde para entenderem com mais clareza os aspectos anatomopatológicos da doença.8 A revisão de Ford e Minshall6 relata que essa tecnologia já está sendo usada até mesmo para ensino de pessoas com deficiência visual ou cegas em outras áreas do conhecimento, como por exemplo em matemática, história ou geociência.6

Outra faceta intrigante da aplicação da impressão 3D nesse cenário foi sua utilização para o contato com o público em geral para a visualização das várias formas que o coração humano pode assumir.11 O modelo impresso foi apresentado em uma exposição no renomado Museu do Amanhã na exposição “Coração S2, Pulso da Vida” (Figura 3). Essa iniciativa exemplifica como a impressão 3D pode transcender as fronteiras da medicina puramente técnica e se insere em contextos que ampliam o alcance da ciência médica para a sociedade em geral. A exposição do coração impresso proporcionou uma oportunidade única para a população apreciar a complexidade da anatomia cardíaca. Essa abordagem contribui ainda mais para a humanização da medicina, aproximando as pessoas do coração como símbolo de vida e vitalidade, o que ajuda na comunicação com o paciente.9 Além disso, a exposição serviu como um veículo poderoso para a divulgação científica, ampliando a atenção do público sobre a importância de doenças cardiovasculares e as conquistas da medicina moderna.

– 3a) Modelos em exposição no renomado Museu do Amanhã na exposição “Coração S2, Pulso da Vida”. 3b) Modelo do estudo que foi apresentado no Museu do Amanhã na exposição “Coração S2, Pulso da Vida.

Embora a impressão 3D não tenha sido utilizada diretamente no planejamento cirúrgico da pericardiectomia total, seus benefícios não devem ser subestimados. A tecnologia de impressão 3D continua a evoluir, e sua aplicação educacional abre caminho para futuras investigações e possíveis aplicações diretas no planejamento cirúrgico de intervenções complexas.

 Conclusão

A integração da impressão 3D em cenários de saúde representa uma mudança de paradigma. Este estudo sugere que a impressão 3D pode ter um papel significativo no ensino das características anatomofuncionais da pericardite constritiva e na orientação sobre como é realizado o procedimento de pericardiectomia total.

Potencial conflito de interesse

Não há conflito com o presente artigo

Fontes de financiamento

O presente estudo foi parcialmente financiado pela Fundação Euclídes da Cunha (FEC).

Vinculação acadêmica

Não há vinculação deste estudo a programas de pós-graduação.

Aprovação ética e consentimento informado

Este estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética da Faculdade de Medicina da Universidade Federal Fluminense sob o número de protocolo CAAE: 60475422.9.0000.5243. Todos os procedimentos envolvidos nesse estudo estão de acordo com a Declaração de Helsinki de 1975, atualizada em 2013. O consentimento informado foi obtido de todos os participantes incluídos no estudo.

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Marquês do Paraná, 303. Postal Code 24033-900, Centro, Niterói, RJ – Brazil E-mail: julianacadilho@id.uff.br

Editor responsible for the review: Nuno Bettencourt

 Keywords: Pericarditis Constrictive/surgery Pericardiectomy/surgery Imaging, Threedimensional/methods Education Medical Patient Care Planning Models Anatomic Patient Caare Planning Introduction

Constrictive pericarditis is a rare disease, often diagnosed belatedly.1 Radical pericardiectomy is the recommended procedure in cases of constrictive pericarditis,2 although it is a complex and time-consuming surgery. These aspects make 3D printing potentially valuable in surgical planning, allowing the healthcare team to study a printed model for better comprehension of the surgical area and more efficient planning.3-5

Studies have also shown satisfactory results in medical education, particularly in anatomy,6,7 with reports of high-fidelity anatomical models, including those with congenital heart defects.8 However, until now, there have been no reports of using 3D cardiac printing for surgical guidance or teaching about constrictive pericarditis.

Therefore, based on a severe case of constrictive pericarditis in a patient, we evaluated the extent of pericardial removal during total pericardiectomy using 3D printing. We used the 3D printed model to educate undergraduate and postgraduate cardiovascular science students about constrictive pericarditis and to explain how the radical pericardiectomy procedure is performed. This report aims to demonstrate the use of 3D printing in medical education for cases of constrictive pericarditis and to show the potential use of these models in the surgical planning of radical pericardiectomy.

 Case Report

A 51-year-old patient presented with postprandial abdominal discomfort for 5 years, initially diagnosed with liver cirrhosis and referred to a hepatologist. She had mild ascites and no lower limb edema on examination. After evaluation by the specialist, spironolactone and furosemide were initiated. The diagnosis of cirrhosis was refuted, and subsequently, due to pericardial calcification, the patient was referred to cardiology. In 2021, the patient underwent radical pericardiectomy, with 110 minutes of extracorporeal circulation. Postoperatively, the patient had significant fluid drainage (transudate) from both drains (right and left hemithorax). After drain removal, she was transferred to the Cardiology ward, where she stayed for 7 days before being discharged home. Histopathological analysis demonstrated calcified pericarditis. After surgery, a 3D printing of the heart and pericardium was performed using preoperative CT images to understand better the extent of the disease and the potential benefit of the surgical approach.

3D Printing

The printed model originated from contrasted thoracic tomographic images that were segmented to select only the heart and pericardium (Figure 1a; Figure 1b). The image was transformed into a digital model saved in Standard Tessellation Language (STL) format using a computer-aided design program called 3D Slicer (Figure 2a). The segmentation process took approximately 2 hours. The model was printed using Fused Deposition Modelling (FDM) technology, producing layer-by-layer pieces by heating and extruding thermoplastic filaments.9 Printing of the heart took place on a GTMAX® printer at low quality, lasting 20 hours and 55 minutes, and the pericardium was printed on a PRUSA® printer at ultra-quality for 21 hours and 12 minutes. The weights and sizes of the printed models were: heart 191g with 15% grid-type filling at 12.6 × 11.3 × 14.9 cm, pericardium 94g fully filled at 9.7 × 12.2 × 10.2 cm.

1a) Computed Tomography of the heart with calcified pericardium. 1b) 3D rendering of the tomographic image of the heart with calcified pericardium.

During surgery, extensive involvement of the right atrium and ventricle by pericardial calcification was observed, while the heart's apex was free of calcification. This pattern of calcification was faithfully reproduced in the printed model, accurately displaying the shape and thickness of the calcified pericardium (Figure 2b). During image segmentation, the accurate identification of calcium in the pericardium was noted by comparing it to the density found in the vertebrae (Figure 2a). Limitations in the digital model's quality were the lack of synchronized CT with the electrocardiogram (ECG) and the acquisition in an earlier venous phase or an arterial phase. Certainly, a better phase of acquisition would have resulted in improved segmentation quality, enhancing the model's accuracy. However, this limitation did not compromise the understanding of constrictive pericarditis. Thus, while the model was not recommended for surgical planning, it was used for educational purposes, demonstrating the structures of constrictive pericarditis and how the total pericardiectomy surgical procedure was performed.

2a) Image segmentation process and creation of the 3D model in STL format in the 3D Slicer program. In the image, it is possible to observe the delimitation process of the myocardium in red and the calcified pericardium in yellow. 2b) 3D printed models of the heart in white and calcified pericardium in black, joined. The apex of the heart is located where the green arrow points.

3D printing proved suitable for teaching and learning the anatomofunctional characteristics of constrictive pericarditis for both patients and healthcare professionals, demonstrating the potential use of 3D printing in the surgical planning of pericardiectomy.

 Discussion

The use of 3D printing in medicine has garnered increasing interest and investigation, offering new perspectives for diagnosis, surgical planning, and medical education.10 In this work, we present the experience of applying 3D printing technology in a total pericardiectomy, highlighting its potential for educational and surgical planning purposes, even though it was not directly used for pre-surgical planning.

Regarding its educational dimension, 3D printing allows tactile and three-dimensional visualization of complex anatomical relationships, becoming a powerful tool for pre-training, technical skill enhancement, and a deeper understanding of cardiac anatomy.8 Using 3D printing as an educational resource can promote interdisciplinary collaboration, allowing cardiologists, surgeons, and radiologists to work together to understand anatomical details and improve surgical approach strategies. It is also valuable for undergraduate health science students to gain clearer insights into anatomopathological aspects of the disease.8 The review by Ford and Minshall6 reports that this technology is already being used even for teaching visually impaired or blind individuals in other areas of knowledge, such as mathematics, history, and geoscience.6

Another intriguing aspect of 3D printing's application in this scenario was its use for public engagement to visualize the various shapes the human heart can assume.11 The printed model was exhibited in the renowned Museum of Tomorrow in the “Heart S2, Pulse of Life” exhibition (Figure 3). This initiative exemplifies how 3D printing can transcend the boundaries of purely technical medicine and fit into contexts that broaden the reach of medical science to society at large. The display of the printed heart provided a unique opportunity for the public to appreciate the complexity of cardiac anatomy. This approach further contributes to humanizing medicine, bringing people closer to the heart as a symbol of life and vitality, and aiding in communication with patients.9 Additionally, the exhibition served as a powerful vehicle for scientific outreach, increasing public attention to the importance of cardiovascular diseases and the achievements of modern medicine.

3a) Models on display at the renowned Museum of Tomorrow in the exhibition “Heart S2, Pulse of Life”. 3b) Model from the study presented at the Museum of Tomorrow in the exhibition “Heart S2, Pulse of Life”.

Although 3D printing was not directly used in the surgical planning of total pericardiectomy, its benefits should not be underestimated. 3D printing technology continues to evolve, and its educational application paves the way for future investigations and potential direct applications in the surgical planning of complex interventions.

 Conclusion

The integration of 3D printing into healthcare settings represents a paradigm shift. This study suggests that 3D printing can play a significant role in teaching the anatomofunctional characteristics of constrictive pericarditis and in guiding how the total pericardiectomy procedure is performed.

Potential conflict of interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Sources of funding

This study was partially funded by Fundação Euclídes da Cunha (FEC).

Study association

This study is not associated with any thesis or dissertation work.

Ethics approval and consent to participate

This study was approved by the Ethics Committee of the Faculdade de Medicina da Universidade Federal Fluminense under the protocol number CAAE: 60475422.9.0000.5243. All the procedures in this study were in accordance with the 1975 Helsinki Declaration, updated in 2013. Informed consent was obtained from all participants included in the study.