Arq Bras Cardiol abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC xW7MBVcKsKxHJKW5G63hnsq S0066-782X2026000100603 00603 10.36660/abc.20250419 Artigo Original Desenvolvimento de Modelos de Cardiopatias Congênitas em Impressão 3D utilizando Metodologia de Baixo Custo – Uma Potencial Ferramenta para Aprimorar o Ensino da Cardiologia Pediátrica 0000-0002-6465-8798 Cajueiro Francisco Candido Monteiro Concepção e desenho da pesquisa Obtenção de dados Análise e interpretação dos dados Análise estatística Obtenção de financiamento e Redação do manuscrito Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo 1 0000-0002-1127-4782 Croti Ulisses Alexandre Concepção e desenho da pesquisa Obtenção de dados Análise e interpretação dos dados Análise estatística Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo 1 0000-0003-1067-8918 Amorim Raimundo Francisco de Júnior Concepção e desenho da pesquisa Análise e interpretação dos dados 2 0009-0006-8558-6953 Cardoso Mariana Ribeiro Rodero Obtenção de dados 1 0000-0001-8784-4369 Costa Carlos Henrique Obtenção de dados; Análise e interpretação dos dados 1 0000-0003-2916-7579 Marchi Carlos Henrique De Obtenção de dados Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo 1 0000-0003-4341-0037 Borim Bruna Cury Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo 1 0000-0001-8390-0933 Godoy Moacir Fernandes de Concepção e desenho da pesquisa Análise e interpretação dos dados Análise estatística Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo 1 0000-0002-4740-5932 Freitas Milton Benevides de Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo 3 0009-0003-0846-9081 Moscardini Airton Camacho Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo 1 CardioPedBrasil® Centro do Coração da Criança Hospital da Criança e Maternidade de São José do Rio Preto São José do Rio Preto SP Brasil CardioPedBrasil® – Centro do Coração da Criança, Hospital da Criança e Maternidade de São José do Rio Preto (FUNFARME/FAMERP), São José do Rio Preto, SP – Brasil Instituto do Coração de Natal Natal RN Brasil Instituto do Coração de Natal (INCOR Natal), Natal, RN – Brasil Universidade de Pernambuco Recife PE Brasil Universidade de Pernambuco, Recife, PE – Brasil

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Nuno Bettencourt

 05 02 2026 01 2026 123 1 e20250419 14 06 2025 14 07 2025 01 10 2025 Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da licença de atribuição pelo Creative Commons Resumo Fundamento

As cardiopatias congênitas (CC) demandam profundo conhecimento anatomopatológico. A impressão 3D (Imp3D) é uma ferramenta de ensino promissora para a criação de protótipos físicos a partir de dados de imagem, mas os custos representam um grande obstáculo.

 Objetivo

Descrever um fluxo de trabalho factível e de baixo custo para o desenvolvimento de modelos de CC em Imp3D e criar um conjunto de modelos de ensino compartilháveis.

 Métodos

Foram utilizados conjuntos de imagens de tomografia cardíaca, seguindo as etapas de aquisição, segmentação, design digital, fatiamento, Imp3D e pós-impressão. Estruturas valvares foram criadas a partir de dados ecocardiográficos utilizando a técnica cartographic heightmap e inseridas nos protótipos. Os modelos de CC em Imp3D foram avaliados por uma equipe de especialistas, aprimorados e aplicados a residentes de cardiologia e cirurgia cardíaca durante uma sessão de ensino. Foram utilizados softwares gratuitos, impressora 3D desktop e materiais de baixo custo.

 Resultados

Doze modelos de CC em Imp3D foram desenvolvidos, incluindo Comunicação Interventricular, Persistência do Canal Arterial, Comunicação Interatrial, Tetralogia de Fallot, Transposição das Grandes Artérias, Defeito do Septo Atrioventricular, Coarctação de Aorta, Síndrome do Coração Esquerdo Hipoplásico, Atresia Tricúspide, Atresia Pulmonar, Conexão Anômala Total de Veias Pulmonares, Truncus Arteriosus e Interrupção de Arco Aórtico. Todos os residentes (100%) concordaram que os protótipos eram “fiéis à anatomia”, “visualmente atraentes”, “motivaram o estudo” e “permitiram uma melhor conceitualização espacial”. Eles relataram que os modelos em Imp3D “são um importante recurso pedagógico” e podem potencialmente beneficiar a educação de “estudantes de graduação” (100%), “equipe interdisciplinar” (100%), “cardiologistas, cirurgiões e residentes” (100%) e “famílias” (93%).

 Conclusão

O desenvolvimento de modelos de CC em Imp3D utilizando metodologia de baixo custo é factível. Os arquivos digitais dos modelos desenvolvidos estão disponíveis gratuitamente para download e impressão, com o objetivo de promover a educação de todos os interessados no estudo das CC.

Desenvolvimento de Modelos de Cardiopatias Congênitas em Impressão 3D utilizando Metodologia de Baixo Custo – Uma Potencial Ferramenta para Aprimorar o Ensino da Cardiologia Pediátrica Proposta de fluxo de trabalho utilizando software gratuito, uma impressora 3D desktop e materiais acessíveis. 1: Aquisição de imagem cardíaca; 2: Segmentação - InVesalius® 3.1; 3: Design digital - AutoDesk® Meshmixer™ 3.5.474; 4: Fatiamento - PrusaSlicer® 2.4.2; 5: Impressão 3D - Impressora 3D Creality® Ender-3™; 6: Pós-impressão.

Palavras-chave: Impressão Tridimensional Cardiopatias Congênitas Cardiologia O presente estudo não teve fontes de financiamento externas. Introdução

A cardiologia e a cirurgia cardiovascular pediátrica exigem um profundo conhecimento anatomopatológico, e a capacidade de construir representações mentais em três dimensões é fundamental para a compreensão completa da doença cardíaca congênita.1

A capacidade de criar protótipos físicos a partir de exames de imagem, como a tomografia computadorizada (TC), tornou a impressão 3D (Imp3D) uma ferramenta valiosa. As aplicações da Imp3D na cirurgia das cardiopatias congênitas podem ser divididas em aplicações clínicas para tomada de decisão e planejamento cirúrgico, simulação cirúrgica pré-operatória e aplicações educacionais como treinamento cirúrgico prático, ensino da morfologia cardíaca congênita “hands-on” e educação de pacientes e familiares.2 Essa tecnologia em rápida evolução tem remodelado e aprimorado processos, beneficiando potencialmente todos os envolvidos no tratamento das cardiopatias congênitas (CC).

Diversas condições podem limitar o uso da tecnologia de Imp3D em ambientes com poucos recursos. A criação de um centro de Imp3D em um hospital exige um planejamento financeiro cuidadoso devido aos custos substanciais envolvidos. As despesas anuais com licenças de software podem ultrapassar os 10.000 euros, enquanto as impressoras 3D de alto desempenho podem custar mais de 150.000 euros.3

Este estudo teve como objetivo desenvolver um conjunto de modelos de CC em Imp3D, representativos das doenças mais prevalentes, detalhando um fluxo de trabalho factível e de baixo custo que pode ser reproduzido por qualquer pesquisador em ambientes com poucos recursos, e compartilhar os modelos digitais criados para fins educacionais.

 Métodos Aspectos éticos

O estudo foi submetido à Plataforma Brasil com o Certificado de Apresentação para Apreciação Ética número 48575021.3.0000.5415 e aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Faculdade de Medicina de São José do Rio Preto em 9 de julho de 2021. O estudo foi concluído em 2024. Todos os dados foram coletados do banco de dados institucional de imagens de pacientes com CC com menos de dois anos de idade que haviam sido submetidos a exames complementares para elucidação diagnóstica ou planejamento perioperatório. Nenhuma criança foi identificada, recrutada especificamente ou submetida a um novo exame para fins de pesquisa. Portanto, não houve necessidade de formulários de consentimento do paciente devido à natureza retrospectiva da coleta de dados. Em relação aos avaliadores, todos foram submetidos ao Termo de Consentimento Livre e Esclarecido.

 Desenvolvimento de modelos de cardiopatias congênitas em impressão 3D

A seleção dos casos considerou a prevalência global das CC4 e os dados disponíveis na coleção de Radiologia Cardíaca Pediátrica dos arquivos do CardioPedBrasil®.

As CC selecionadas para prototipagem 3D foram: Comunicação Interventricular (CIV), Persistência do Canal Arterial (PCA), Comunicação Interatrial (CIA), Tetralogia de Fallot (TOF), Transposição das Grandes Artérias (TGA), Defeito do Septo Atrioventricular (DSAV), Coartação de Aorta (CoAo), Síndrome do Coração Esquerdo Hipoplásico (SCEH), Atresia Tricúspide (TriAtr), Atresia Pulmonar (PulmAtr), Conexão Anômala Total de Veias Pulmonares (CATVP), Truncus Arteriosus e Interrupção de Arco Aórtico (IAA). Buscamos aquisições de imagens de TC otimizadas, visando processamento de alta qualidade durante as etapas de trabalho, e selecionamos o melhor conjunto de imagens de TC para cada CC. Embora cada CC apresente muitos subtipos, buscamos encontrar um caso representativo de cada doença.

O desenvolvimento seguiu as recomendações do 3DPrinting Special Interest Group (SIG) da Radiological Society of North America (RSNA)5 e está resumido na Figura Central.

 Aquisição de imagens

O protocolo institucional para aquisição de TC cardíaca pediátrica estabelece o uso de contraste iodado intravenoso Guerbet-Henetix® 350 mg/ml, 1,5-2,0 ml/kg, com velocidade de infusão da bomba de 2,0-3,0 ml/s. As aquisições foram: fase de localização (scout), fase sem contraste, fase pré monitoramento, fase arterial (tensão de 80 kV, corrente do tubo de 120 mA/s, protocolo axial, rotação do tubo de 360º em 0,5 s, passo de 1,375, espessura de corte de 1,0 mm, razão de reconstrução volumétrica de 0,625/0,312), fase arterial tardia (ou venosa precoce) (3-6 segundos após a aquisição arterial) e fase venosa tardia. Todos os pacientes receberam suporte anestésico durante os exames de TC.

 Segmentação das áreas de interesse

Consiste na conversão de centenas de imagens DICOM de TC 2D (dados nos eixos cartesianos x,y) em uma matriz de voxels 3D (dados nos eixos cartesianos x,y,z), permitindo a continuidade do fluxo de trabalho de modelagem volumétrica 3D. O software Invesalius® 3.1 permitiu a seleção semiautomática de regiões de interesse (ROI) e realizou a extração digital. Os arquivos DICOM foram importados, áreas entre 440 e 1300 HU foram selecionadas e cada imagem adquirida foi otimizada para uma matriz de voxels 3D final. O produto definitivo foi convertido e exportado para o formato STL.

A segmentação cardíaca precisa e a seleção de áreas de interesse dependem da experiência dos operadores tanto na morfologia das CC quanto no processamento digital de imagens. Embora a inteligência artificial possa acelerar e automatizar significativamente esse processo, os altos custos das plataformas disponíveis comercialmente podem limitar a viabilidade de se estabelecer um serviço de Imp3D em ambientes hospitalares com recursos limitados. Felizmente, existem ferramentas gratuitas capazes de converter arquivos DICOM em extensões compatíveis como STL ou OBJ (Object File Wavefront), como InVesalius®, 3DSlicer®, 3DView®, Horos®, ImageJ®, The Medical Imaging Interaction Toolkit®, ITK-Snap® e Seg3D®.

 Modelagem 3D

Após a segmentação, o volume 3D resultante é processado em um software de design digital. Nesta fase, é possível eliminar estruturas anatômicas residuais irrelevantes. O processo de renderização permite editar, modelar, refinar, preencher, suavizar, inspecionar e corrigir falhas que poderiam afetar a interpretação precisa dos dados pela impressora 3D.

Utilizando o AutoDesk® Meshmixer™ 3.5.474, criamos uma camada externa ao redor da aquisição de contraste da TC (blood pool), gerando uma camada (3mm offset distance) que envolve a silhueta negativa das câmaras e vasos (tornando-os ocos). Janelas que permitem a inspeção intracardíaca foram criadas para melhor visualização. Uma base plana foi desenvolvida para manter a integridade estrutural dos modelos durante a montagem e diminuir a necessidade de suportes. Exemplos de software gratuito de modelagem 3D incluem: AutoDesk® Meshmixer™ e Blender®.

 Representação valvar

Os dispositivos ecocardiográficos padrão não permitem a exportação livre de dados em um formato adequado para Imp3D e exigem pacotes de softwares específicos de alto custo, o que dificulta a representação das valvas cardíacas em modelos de CC acessíveis.6 Para modelos de CC nos quais a representação do aparelho valvar era essencial, como DSAV e Truncus Arteriosus, as valvas cardíacas foram digitalizadas separadamente da a partir da ecocardiografia 2D.

A técnica Heightmap é uma estratégia cartográfica utilizada para criar mapas 3D (com profundidade e altura) a partir de imagens de satélite/aéreas 2D. Ela interpreta a distância de deslocamento (ou “altura”) de acordo com diferentes graus de luminosidade em partes de uma imagem. Geralmente, os mapas são exibidos em escala de cinza, onde o preto representa a altura mínima (áreas baixas) e o branco representa áreas mais altas, com uma gama de intensidades de luminosidade/alturas intermediárias.

Foram selecionadas imagens em .JPG de ecocardiografia 2D do DSAV (janela subcostal ao final da sístole da valva atrioventricular comum) e do Truncus Arteriosus (janela paraesternal em eixo curto ao final da diástole final da valva truncal). A matriz de pixels em escala de cinza 2D adquirida (dados dos eixos cartesianos x,y) do ecocardiograma foi convertida para o formato STL utilizando a técnica Heightmap na ferramenta online Fabconvert©. Em seguida, as valvas foram modeladas graficamente, tiveram seu volume aumentado e o design aprimorado (AutoDesk® Meshmixer™ 3.5.474) e inseridas digitalmente nos protótipos (Figura 1).

Utilização da técnica cartographic heightmap para conversão de imagens de satélite 2D em mapas 3D como estratégia alternativa para modelagem de válvulas cardíacas para fins educacionais a partir de uma imagem de ecocardiografia (ECO) 2D. A: Imagem bidimensional de satélite do Brasil; B: Heightmap do Brasil; 1: Imagem de ECO janela subcostal de uma válvula atrioventricular comum ao final da sístole em formato .jpg; 2: Efeito volumétrico após processamento com a técnica Heightmap em formato .stl; 3: Otimização de volume do objeto digital; 4 e 5: Inserção do objeto 3D final dentro da estrutura do modelo de Comunicação Interatrial; 6-10: Mesmo processo aplicado a uma imagem de ECO janela paraesternal eixo curto de uma válvula quadricúspide ao final da diástole para modelagem 3D de um modelo educacional de Truncus Arteriosus.

Fatiamento

Os modelos digitais finalizados (arquivos STL ou OBJ) foram convertidos no software PrusaSlicer® 2.4.2. Os fatiadores segmentam o modelo em inúmeras camadas, permitem a adição de parâmetros de impressão importantes, e traduzem dados 3D em extensão de representação gráfica G-code, que contém comandos que permitem à impressora executar o processo físico de fabricação. Exemplos de fatiadores gratuitos incluem PrusaSlicer®, Cura®, Craftware®, Repetier® e Slic3r®.

 Parâmetros técnicos da impressora 3D

Foram utilizados filamento de ácido polilático (PLA) de 1,75 mm, 1,24 g/cm3, temperatura do bico de 210 °C na primeira camada (205 °C nas subsequentes), temperatura da mesa de 60 °C, velocidade volumétrica máxima de 15 mm3/s, retração de 5 mm e velocidade de retração de 60 mm/s, diâmetro do bico de impressão de 0,4 mm, altura da camada de 0,24 mm na primeira camada (0,2 mm nas subsequentes), preenchimento de 20%, padrão de preenchimento hexagonal, espessura superior e inferior de 3 mm, velocidade de perímetro/pontes/suporte/preenchimento de 60 mm/s, velocidade da primeira camada de 20 mm/s e sobreposição da superfície de 25%, modos especiais, “camadas adaptativas” e “suavidade”.

É essencial conhecer as especificações e configurações para otimizar a impressora, ajustando os principais parâmetros do processo.

 Recursos da impressora 3D

Os modelos educacionais de CC foram desenvolvidos pela técnica de Fused Deposition Modeling (FDM) em uma impressora 3D doméstica Creality® Ender 3TM com filamento monofilamento branco National 3D® PLA MAXTM de 1,75 mm.

 Pós-impressão

Remoção de resíduos termoplásticos e acabamento do modelo.

 Protótipos iniciais de cardiopatias congênitas

Doze protótipos de CC em Imp3D foram desenvolvidos representando as seguintes CC e seus subtipos: 1) CIV Perimembranosa Central com PCA; 2) CIA Ostium Secundum; 3) TOF com estenose pulmonar; 4) TGA; 5) DSAV forma total tipo A (classificação de Rastelli); 6) CoAo; 7) SHCE; 8) TriAtr tipo IC; 9) PulAtr tipo A (classificação de Barbero-Marcial); 10) CATVP tipo infracardíaco; 11) Truncus Arteriosus tipo 1 (classificação de CollettEdwards); e 12) IAA tipo C (classificação de Celoria-Patton).

 Composição da equipe de especialistas e avaliação inicial dos protótipos

Composta por 26 médicos afiliados à CardioPedBrasil® de diversas especialidades, incluindo cardiologia pediátrica, ecocardiografia pediátrica, terapia intensiva pediátrica, radiologia cardiovascular pediátrica, cardiologia intervencionista pediátrica e cirurgia cardiovascular pediátrica.

Eles receberam informações sobre os doze protótipos iniciais de CC 3DP e responderam a um questionário estruturado do tipo Likert (Software de Pesquisa QuestionPro©). Os dados foram analisados e os modelos foram aprimorados para otimizar a experiência educacional.

 Modelos finais e criação de um conjunto educacional

Seguindo as recomendações dos especialistas, os modelos finais foram padronizados e aumentados em 10% em comparação com os protótipos originais (Figuras 2 a 6). Os modelos foram acondicionados em caixas de madeira com compartimentos internos e placas informativas identificando cada protótipo.

– Modelos representativos de cardiopatias congênitas em impressão 3D. 1: Proposta de box educacional com modelos de CC em impressão 3D; 2: Modelo de comunicação interatrial (CIA) do tipo ostium secundum; 3 e 4: Modelo de comunicação interventricular (CIV) perimembranosa central com persistência do canal arterial (PCA).

– Modelos representativos das cardiopatias congênitas impressos em 3D. 1: Modelo de Transposição das Grandes Artérias (TGA); 2: Modelo de Defeito do Septo Atrioventricular (DSAV) forma total tipo A (classificação de Rastelli); 3: Modelo de Coartação de Aorta (CoAo); 4: Modelo de Truncus Arteriosus tipo 1 (classificação de CollettEdwards).

– Modelo representativo em impressão 3D da Conexão Anômala Total de Veias Pulmonares (CATVP) do tipo infracardíaca. 1: Vista geral; 2 e 3: Vistas detalhadas.

– Modelos representativos das cardiopatias congênitas em impressão 3D. 1 e 2: Modelo de Tetralogia de Fallot (TOF) com estenose pulmonar; 3 e 4: Síndrome do Coração Esquerdo Hipoplásico (Modelo SCEH).

– Modelos representativos das cardiopatias congênitas em impressão 3D. 1: Modelo de Atresia Tricúspide (TricAtr) tipo 1C; 2: Modelo de Atresia Pulmonar (PulAtr) com comunicação interventricular tipo A (classificação de Barbero-Marcial). 3 e 4: Modelo de Interrupção de Arco Aórtico (IAAo) tipo C (classificação de Celoria-Patton).

Cenário de aplicação clínica (sessão de ensino)

Quinze residentes de cardiologia e cirurgia cardíaca foram convidados para um seminário de 3 horas que abordou os principais aspectos de cada um dos 12 modelos de CC propostos. Eles participaram de uma sessão de ensino tradicional com recursos audiovisuais e tiveram acesso à versão final aprimorada de CC em Imp3D. Uma nova avaliação qualitativa foi realizada.

 Questões financeiras

O planejamento financeiro é essencial para uma iniciativa sustentável de Imp3D em para CC. Infraestrutura, instalações, equipamentos, manutenção e financiamento são preocupações vitais. Licenças de software, impressoras de alto desempenho e suprimentos de impressão realistas podem ser muito caros. Os custos com as horas de trabalho da equipe de suporte, como radiologista cardíaco pediátrico, engenheiro biomédico, designer digital e todos os recursos humanos integrados ao processo, variam em cada país e precisam ser considerados. O uso de software livre, impressoras 3D de mesa (algumas a partir de menos de US$ 300 - 2025) e filamentos de baixo custo (PLA de US$ 10 a US$ 40 por quilograma - 2025) permite a prototipagem com custos reduzidos. Com o estudo autodirigido das etapas de impressão e do funcionamento dos softwares (segmentação, design digital e fatiamento), os custos com horas de trabalho profissional podem ser drasticamente reduzidos, e qualquer pesquisador pode desenvolver seu próprio conjunto de protótipos.

 Resultados

Todos os residentes concordaram totalmente com a afirmação: “Considero a dificuldade de visualização espacial um dos principais obstáculos para a compreensão das cardiopatias congênitas”. Oitenta por cento deles não tinham conhecimento prévio sobre Imp3D na área médica.

Ao avaliar cada modelo individualmente, 100% dos residentes concordaram totalmente que foram capazes de identificar as principais características anatômicas que definem CIV + PCA, CIA, TGA, CoAo, SCEH, PulmAtr, CATVP, Truncus Arteriosus e IAA; as avaliações dos demais modelos individualmente (concordo totalmente/concordo parcialmente/discordo parcialmente/ discordo totalmente) foram: TOF (86,6%/13,3%/0%/0%), CAV (73,3%/26,6%/0%/0%) e TriAtr (86,6%/13,3%/0%/0%). A análise das principais características relacionadas ao conjunto de modelos está expressa na Figura 7.

– Avaliação, por residentes, dos modelos de cardiopatias congênitas (CC) impressos em 3D desenvolvidos nesta pesquisa (n=15).

Os avaliadores identificaram como grupos potencialmente beneficiados educacionalmente pelo ensino das CC utilizando modelos em Imp3D os “estudantes de graduação” (100%), a “equipe interdisciplinar” (100%), os “cardiologistas, cirurgiões cardíacos e residentes” (100%) e “familiares e cuidadores de crianças” (93%) (Figura 8).

– As respostas dos residentes foram baseadas nas afirmações apresentadas. (n=15).

Discussão

Esta é uma iniciativa brasileira para desenvolver um conjunto de modelos de CC em Imp3D, baseados em casos de pacientes reais, potencialmente úteis como ferramenta para o ensino da cardiologia e da cirurgia cardiovascular pediátrica. Objetivamos nessa pesquisa descrever um fluxo de trabalho de baixo custo, metodologicamente reprodutível para qualquer pesquisador, profissional ou estudante, utilizando softwares livres e de fácil acesso para download. Existem cursos online gratuitos voltados para o ensino de segmentação, design digital, fatiamento e tecnologia de impressão. A pesquisa original, com todos os detalhes, e todos os modelos 3D de CC criados estão disponíveis gratuitamente em http://sites.google.com/view/3dpequenoscoracoes e http://cardiopedbrasil.com.br/pesquisa como arquivos STL para impressão 3D. Esperamos que todos possam imprimir seus próprios conjuntos de modelos 3D e aplicá-los em suas realidades para compartilhar conhecimento. No Brasil, exemplos na área de Imp3D, CC e educação foram publicados, destacando a crescente importância deste tema.7-11 A educação é, e sempre deverá ser, o principal objetivo dos esforços para qualificar todas aqueles dedicados às crianças com CC.

Independentemente do recurso educacional utilizado, os métodos tradicionais de ensino se limitam a representações anatômicas em superfícies planas. Sejam livros didáticos, diagramas, radiografias, ecocardiografias, cateterismos ou projeções de reconstrução 3D e exames de TC ou ressonância magnética, quando apresentados em uma tela ou monitor, todos representam, em última análise, o coração em dois planos.12

Embora a dissecção e o estudo de espécimes patológicos tenham historicamente permanecido como o padrão ouro do ensino de anatomia, existem limitações para a manutenção dessa prática.13 De fato, na maioria das instituições de saúde em todo o mundo, a observação direta de espécimes durante procedimentos cirúrgicos, autópsias ou em laboratórios de patologia é limitada ou inexistente. Iwanaga et al., ao revisarem métodos modernos de ensino de anatomia, destacaram a importância de uma abordagem multidisciplinar, incluindo Imp3D, realidade aumentada e realidade virtual. Eles relataram que o aprendizado por meio de Imp3D é geralmente percebido como agradável e eficaz.14

A Imp3D é um método de fabricação rápida usado para criar objetos físicos tridimensionais a partir de arquivos digitais. Os recentes avanços tecnológicos e a expiração de patentes industriais reduziram significativamente os custos de equipamentos e suprimentos para Imp3D, tornando essa tecnologia mais acessível. Assim, abordagens de baixo custo têm sido exploradas. Gómez-Ciriza et al. desenvolveram modelos de CC usando software livre, impressoras 3D desktop e materiais de baixo custo, mantendo grande precisão anatômica e alta qualidade, sendo considerados adequados para a prática clínica.15 Sun et al. mostraram que modelos de CC em Imp3D de baixo custo são precisos na reprodução da anatomia, destacando a viabilidade da tecnologia de Imp3D na educação médica e na prática clínica.16 Grieshaber et al. descreveram um fluxo de trabalho baseado exclusivamente no uso de softwares de código aberto e hardwares financeiramente acessíveis, adequado para regiões com poucos recursos econômicos.17

A qualidade dos modelos 3D é influenciada pelas características de cada modalidade de imagem. Neste estudo, modelos 3D educacionais foram desenvolvidos com base em angiotomografias cardíacas (angioTC) conhecidas por sua excelente visualização de estruturas vasculares. Consequentemente, os modelos 3D que caracterizam predominantemente defeitos extracardíacos, como TGA, CoAo, SHCE, CATVP, IAAo, PulmAtr e Truncus Arteriosus, receberam avaliações mais altas dos avaliadores em comparação com protótipos que representam defeitos intracardíacos, como TOF, DSAV e TriAtr.

Muitos fatores podem afetar a precisão dimensional de estruturas anatômicas impressas em 3D, incluindo a qualidade da aquisição de imagem, segmentação, design digital, configuração dos parâmetros de fatiamento, resolução da impressora 3D e tipo de filamento.18 A precisão anatômica de modelos em Imp3D foi estudada por Lee, Squelch e Sun, quem compararam os modelos em Imp3D com os originais angiotomográficos de pacientes com CC. Após analisar múltiplos marcos anatômicos, observaram uma excelente correlação anatômica (r = 0,99) e diferenças mínimas entre os modelos 3D impressos e as imagens originais, todas medindo menos de 0,5 milímetros (média = 0,21 ± 0,37 mm; diferença percentual média variando entre 0,4 e 0,9%), sem diferença estatisticamente significativa.19 Em nosso estudo, 93,3% dos residentes de cardiologia e cirurgia cardíaca participaram do estudo e 93,3% concordaram totalemente que os modelos de CC em Imp3D “fiéis à anatomia da doença”, “visualmente atraentes” e “de tamanho adequado”.

A obtenção de imagens de alta qualidade é essencial para o processo de prototipagem. No entanto, a TC nem sempre é o exame complementar necessário para o diagnóstico e manejo das CC. Nesse contexto, para desenvolver alguns dos modelos de Imp3D apresentados neste estudo, buscamos conjuntos de imagens de pacientes com CC que haviam sido submetidos à TC cardíaca para investigar morbidades associadas. Por exemplo: um lactente diagnosticado com CIV e sintomas respiratórios obstrutivos, que foi submetido à TC para investigar compressão extrínseca das vias aéreas. Essa estratégia possibilitou encontrar imagens de CIA, TOF, DSAV e TGA. As imagens selecionadas foram processadas para eliminar detalhes irrelevantes, enfatizando apenas as lesões de interesse didático.

As valvas cardíacas e seu aparato de suporte são marcos anatômicos importantes da morfologia cardíaca. Os folhetos, cordas tendíneas e músculos papilares são estruturas delicadas e em constante movimento, e a replicação dessa anatomia em 3D é um desafio, especialmente no desenvolvimento de modelos Imp3D financeiramente acessíveis. A ecocardiografia oferece visualização superior do aparelho valvar, mas a ausência de um formato de armazenamento padronizado e as dificuldades na conversão de arquivos para DICOM são fatores limitantes. Centros especializados são capazes de desenvolver valvas cardíacas 3D muito realistas usando abordagens híbridas combinando diferentes modalidades de imagem, ferramentas gráficas de design digital e materiais de impressão flexíveis.20-22 Em nossa pesquisa, não tivemos acesso a softwares comerciais de ecocardiografia. Considerando como os mapas topográficos 3D são produzidos a partir de imagens de satélite bidimensionais, utilizamos a técnica cartográfica Heightmap para converter arquivos de ecocardiografia 2D em STL, otimizá-los graficamente e integrar as valvas (anulo e folhetos) aos modelos.

Conceitos em cardiologia pediátrica são rotineiramente compartilhados por um grupo heterogêneo, incluindo estudantes, residentes, médicos, enfermeiros, fisioterapeutas, familiares e pacientes. A capacidade de visualização espacial se refere à capacidade cognitiva de compreender e manipular mentalmente objetos conceituais, entendendo a relação entre objetos no espaço. Nesse contexto, o aprimoramento da capacidade de visualização espacial oferece vantagens educacionais na compreensão da anatomia e no desenvolvimento de habilidades motoras.23 Nosso estudo revelou que, para 100% dos entrevistados, “a dificuldade de visualização espacial é um dos principais obstáculos para a compreensão das cardiopatias congênitas.”

Devido à complexidade da anatomia das CC, os modelos 3D de CC são considerados como adjuvantes aos métodos de ensino tradicionais, pois são capazes de superar as limitações das representações 2D de estruturas 3D.

Em um ensaio clínico randomizado, Karsenty et al. demonstraram os benefícios educacionais do uso de modelos 3D de CC para o ensino. O grupo exposto aos modelos apresentou níveis superiores de conhecimento objetivo e satisfação em comparação ao grupo de controle. A possibilidade de compartilhar e manipular os modelos 3D influenciou positivamente as avaliações.24 Su et al. demonstraram que os modelos 3D oferecem vantagens sobre outras ferramentas pedagógicas, pois fornecem informações espaciais e estruturais ricas e podem ser otimizados para fins educacionais. Os modelos 3D foram mais eficazes do que outras estratégias em termos de aquisição de conhecimento e conceitualização estrutural.25 Para a coorte de Tarca et al., o grupo Imp3D apresentou um aumento significativo em termos de confiança subjetiva, conhecimento e pontuação no exame pós-intervenção. 92% dos participantes classificaram os modelos 3D como “muito úteis” ou “úteis” (classificação média de 4,7/5,0).26 Em nosso contexto, 100% dos avaliadores residentes consideraram que os modelos de CC em Imp3D “são um importante recurso pedagógico”, “fáceis de manipular”, “aparentemente resistentes” e “capazes de motivar o estudo”.

As propriedades táteis dos modelos 3D podem oferecer uma avaliação positiva da experiência de aprendizagem. Lau e Sun compararam grupos de estudantes de medicina que participaram de uma sessão de ensino de 1,5 hora e tiveram acesso a materiais didáticos idênticos (diagramas 2D, modelos digitais 3D, imagens DICOM). Um grupo de intervenção utilizou modelos 3D de CC. Eles não apresentaram melhora estatisticamente significante na aquisição de conhecimento sobre CC a curto e longo prazo (6 semanas depois), mas os estudantes indicaram que o método de ensino foi “interativo e interessante”, “fácil de entender”, “o conhecimento sobre cardiopatias congênitas melhorou” e “desempenhou um papel importante em ajudá-los a entender as cardiopatias congênitas”.27 Em nosso estudo observamos respostas positivas dos residentes que interagiram com os modelos de CC em Imp3D ao afirmarem que os modelos “permitem uma melhor conceitualização espacial e estrutural” e são “úteis para a compreensão de doenças cardíacas mais complexas”.

Hessen et al. desenvolveram um programa de ensino inovador que inclui a Imp3D como ferramenta para o ensino de anatomia a estudantes de medicina. Alunos de medicina da graduação foram treinados para construir modelos 3D e/ou protótipos de realidade estendida. Perguntas qualitativas da pesquisa (pontuações mínimas e máximas de 1 a 5) indicaram que os alunos consideraram que os modelos anatômicos construídos “chamou minha atenção (4,4)”, eram “construídos de forma atraente (4,1)”, “fáceis de usar (4,0)”, “ me estimulou a me envolver ativamente (4,7)”, “foram gratificantes de se trabalhar (4,2)”, “proporcionou satisfação (4,1)” e “me motivou a estudar anatomia (4,5)”.28Respostas semelhantes foram encontradas na avaliação de nossos residentes.

Biglino et al. avaliaram o potencial de modelos específicos para cada paciente na melhoria da compreensão dos pais durante as consultas. A análise do feedback revelou que os modelos 3DP eram rapidamente compreensíveis, estimulavam a curiosidade e podiam ser particularmente úteis. Os autores concluíram que esses modelos otimizavam a comunicação e impactavam positivamente a aceitação psicológica do tratamento. 29 Os mesmos pesquisadores avaliaram o efeito do uso de modelos 3DP de CC em consultas com adolescentes de 15 a 18 anos. Observou-se uma melhora significativa na confiança dos participantes em explicar sua própria condição (p=0,008), no nível de conhecimento sobre a doença (p=0,005) e na satisfação com a consulta (p=0,005).30,31

Os avanços tecnológicos possibilitaram a incorporação do uso de realidade virtual (RV), realidade aumentada (RA), modelagem computacional e inteligência artificial (IA) na prática clínica de CC. Esses métodos complementam as técnicas de imagem padrão e proporcionam medicina personalizada. Ferramentas de visualização imersiva podem otimizar oportunidades educacionais, comunicação durante consultas, planejamento cirúrgico, tomada de decisões, projetos de fabricação de dispositivos, simulação computacional de fluidos e simulação dinâmica da circulação. Essas ferramentas também exigem computadores, headsets de RV, processos avançados de imagem médica e conhecimento especializado. Embora estática, a Imp3D oferece propriedades táteis e a possibilidade de armazenamento físico de peças a longo prazo, em um cenário de escassez de espécimes patológicos de CC. A engenharia de tecidos é um campo emergente que busca a promessa da bioimpressão 3D de estruturas vasculares, válvulas, coração, remendos de tecido, miocárdio e, em última instância, corações pulsantes.

Limitações e perspectivas futuras

Os protótipos foram fabricados utilizando uma impressora 3D desktop (doméstica) equipada com um único bico extrusor, permitindo o uso de apenas um tipo de filamento e cor por vez.

O filamento PLA foi escolhido por ser de fácil acesso, baixo custo e capaz de gerar modelos com características físicas satisfatórias para fins educacionais.

As valvas cardíacas foram representadas usando uma abordagem alternativa, não validada. Aceitamos essa representação bruta (apenas o anel e os folhetos) porque os modelos se destinavam exclusivamente a fins educacionais. No entanto, ela não seria adequada se o objetivo fosse a tomada de decisões clínicas ou o planejamento cirúrgico, onde a reprodução anatômica precisa dos músculos papilares e das cordas tendíneas é essencial.

Devido às características intrínsecas da residência médica, esse grupo de avaliadores tinha uma relação próxima com o pesquisador principal, o que pode ter influenciado a forma como o conjunto de modelos 3D foi analisado. No entanto, a avaliação da equipe de especialistas apresentou respostas convergentes que nos levam a crer na coerência das respostas dos residentes.

O trabalho transdisciplinar foi fundamental para este projeto. A experiência técnica adquirida abrirá caminho para um leque educativo mais amplo, que poderá incluir doenças não abordadas neste estudo.

 Conclusão

O desenvolvimento de modelos de cardiopatias congênitas em impressão 3D utilizando metodologia de de baixo custo é factível. Nesse trabalho descrevemos um processo de prototipagem utilizando softwares gratuitos, uma estratégia alternativa para a representação das valvas cardíacas, materiais de baixo custo e uma impressora 3D doméstica. Esse fluxo de trabalho pode ser reproduzido por qualquer pesquisador em ambientes com poucos recursos. Os modelos desenvolvidos estão disponíveis gratuitamente assim como a tese completa, para download em [http://sites.google.com/view/3dpequenoscoracoes e http://cardiopedbrasil.com.br/pesquisa].

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Este artigo é parte de tese de doutorado de Francisco Candido Monteiro Cajueiro pelo Programa de Pós-graduação em Ciências da Saúde da Faculdade de Medicina de São José do Rio Preto (FUNFARME/FAMERP).

Este estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética da Faculdade de Medicina de São José do Rio Preto sob o número de protocolo CAAE: 48575021.3.0000.5415. O consentimento informado foi obtido de todos os participantes incluídos no estudo.

Os autores não utilizaram ferramentas de inteligência artificial no desenvolvimento deste trabalho.

Os conteúdos subjacentes ao texto da pesquisa estão contidos no manuscrito.

O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.

 10.36660/abc.20250419i Original Article Development of 3D-Printed Congenital Heart Disease Models Using Feasible Low-Cost Workflow – A Potential Tool to Improve Pediatric Cardiology Education 0000-0002-6465-8798 Cajueiro Francisco Candido Monteiro Conception and design of the research Acquisition of data Analysis and interpretation of the data Statistical analysis Obtaining financing and Writing of the manuscript Critical revision of the manuscript for content 1 0000-0002-1127-4782 Croti Ulisses Alexandre Conception and design of the research Acquisition of data Analysis and interpretation of the data Statistical analysis Critical revision of the manuscript for content 1 0000-0003-1067-8918 Amorim Raimundo Francisco de Júnior Conception and design of the research Analysis and interpretation of the data 2 0009-0006-8558-6953 Cardoso Mariana Ribeiro Rodero Acquisition of data 1 0000-0001-8784-4369 Costa Carlos Henrique Acquisition of data Analysis and interpretation of the data 1 0000-0003-2916-7579 Marchi Carlos Henrique De Acquisition of data Critical revision of the manuscript for content 1 0000-0003-4341-0037 Borim Bruna Cury Critical revision of the manuscript for content 1 0000-0001-8390-0933 Godoy Moacir Fernandes de Conception and design of the research Analysis and interpretation of the data Statistical analysis; Critical revision of the manuscript for content 1 0000-0002-4740-5932 Freitas Milton Benevides de Critical revision of the manuscript for content 3 0009-0003-0846-9081 Moscardini Airton Camacho Critical revision of the manuscript for content 1 Brazil CardioPedBrasil® – Centro do Coração da Criança, Hospital da Criança e Maternidade de São José do Rio Preto (FUNFARME/FAMERP), São José do Rio Preto, SP – Brazil Brazil Instituto do Coração de Natal (INCOR Natal), Natal, RN – Brazil Brazil Universidade de Pernambuco, Recife, PE – Brazil Francisco Candido Monteiro Cajueiro Hospital da Criança e Maternidade de São José do Rio Preto (FUNFARME) – Av. Jamil Feres Kfouri, 60. Postal Code 15091-240, São José do Rio Preto, SP – Brazil E-mail: emaildefrancisco@gmail.com

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

Nuno Bettencourt

 Abstract Background

Congenital heart diseases (CHD) require an in-depth anatomopathological understanding. 3D printing is a promising educational tool for creating physical prototypes from imaging data, but costs are a major issue.

 Objective

This study aimed to describe a feasible low-cost workflow for the development of 3D-printed (3DP) CHD models and create a shareable educational set.

 Methods

Data from cardiac tomography images were used, following the steps of image acquisition, segmentation, digital design, slicing, 3D printing, and post-printing. Valvar structures were created from echocardiographic data using the cartographic heightmap technique and inserted into prototypes. 3DP models were evaluated by an expert team, enhanced, and applied to medical residents during an educational session. Free software, a desktop 3D printer, and low-cost materials were used.

 Results

Twelve 3DP models were developed, including ventricular septal defect with patent ductus arteriosus, atrial septal defect, Tetralogy of Fallot, transposition of the great arteries, atrioventricular septal defect, coarctation of the Aorta, hypoplastic left heart syndrome, tricuspid atresia, pulmonary atresia, total anomalous pulmonary venous connection, Truncus arteriosus, and interrupted aortic arch. All residents (100%) agreed that prototypes were “faithful to the anatomy”, “visually appealing”, “motivated the study”, and “allowed better spatial conceptualization”. They related 3DP CHD models “are an important pedagogical resource” and can potentially benefit the education of “undergraduate students” (100%), “interdisciplinary team” (100%), “cardiologists, surgeons and residents” (100%), and “families” (93%).

 Conclusion

Development of 3DP CHD models using a low-cost workflow is feasible. Models developed are freely available for download and printing, intending to promote education to all interested in CHD.

Development of 3D-Printed Congenital Heart Disease Models Using Feasible Low-Cost Workflow – A Potential Tool to Improve Pediatric Cardiology Education Workflow proposal using free software, a desktop 3D printer, and affordable materials. 1: Cardiac image acquisition; 2: Segmentation - InVesalius® 3.1; 3: Digital design - AutoDesk® Meshmixer™ 3.5.474; 4: Slicing - PrusaSlicer® 2.4.2; 5: 3D printing - Creality® Ender-3™ 3D printer; 6: Post-printing.

Keywords: Three-Dimensional Printing Congenital Heart Defects Cardiology Introduction

Cardiology and pediatric cardiovascular surgery require profound anatomopathological understanding, and the ability to build three-dimensional mental representations is critical for complete comprehension of congenital heart disease (CHD).1

The capability to create physical prototypes from imaging exams, such as computed tomography (CT), made 3D printing a valuable tool. Applications of 3D printing in congenital heart surgery can be divided into clinical applications for surgical decision making and planning, preoperative surgical simulation and computer-aided design of surgical baffles and patches, and educational applications like hands-on surgical training, congenital heart morphology teaching, and patient and family education.2This rapidly evolving technology has been reshaping and improving processes, potentially benefiting all involved in children’s heart care.

Many conditions can limit the use of 3D printing technology in low-resource settings. Establishing a hospital-based 3D printing center needs careful financial planning due to the substantial costs involved. Annual expenses for software licenses can exceed €10,000, while high-performance 3D printers may cost upwards of €150,000.3

This study aimed to develop a set of 3D-printed (3DP) CHD models, representative of the more prevalent CHD, detailing a feasible low-cost workflow that can be reproduced by any researcher in low-resource settings, and share the models for educational purposes.

 Methods Ethical Aspects

The study was submitted to Plataforma Brasil with the Certificate of Presentation for Ethical Appreciation number 48575021.3.0000.5415 and approved by the Ethics Committee of the Faculdade de Medicina de São José do Rio Preto on July 9, 2021. The study was concluded in 2024. All image data were gathered from the institutional image database of CHD patients under two years old who had previously undergone complementary investigation for diagnostic elucidation or perioperative planning. No children were identified, specifically recruited, or subjected to a new scan for research purposes. Therefore, there was no requirement for patient consent forms due to the retrospective nature of data collection. Regarding the reviewers, all were submitted to the Informed Consent Form.

 Development of 3D-printed CHD models

Selection of cases considered the global prevalence of CHDs4 and the data available from the Pediatric Cardiac Radiology collection of CardioPedBrasil® files.

CHD selected for 3D prototyping were ventricular septal defect (VSD), patent ductus arteriosus (PDA), atrial septal defect (ASD), Tetralogy of Fallot (TOF), transposition of the great arteries (TGA), atrioventricular septal defect (AVSD), coarctation of the Aorta (CoA), hypoplastic left heart syndrome (HLHS), tricuspid atresia (TriAtr), pulmonary atresia (PulmAtr), total anomalous pulmonary vein connection (TAPVC), Truncus Arteriosus, and aortic arch interruption (IAA). We sought optimal CT image acquisitions, looking for high-quality processing during manufacturing steps, and selected the best CT image pool for each CHD. Although every CHD has many subtypes, we sought to find one representative case of each disease.

Development followed the recommendations of the 3D Printing Special Interest Group (SIG) of the Radiological Society of North America (RSNA)5 and is summarized in the Central Illustration.

 Image acquisition

Institutional protocol for pediatric cardiac CT acquisition states IV iodinated contrast Guerbet-Henetix® 350mg/ml, 1.5-2.0 ml/kg at 2.0-3.0 ml/s infusion pump speed rate. Acquisitions: scout, non-enhanced contrast, pre-monitoring phase, arterial phase (80 kV voltage, tube current 120mA/s, axial protocol, 0.5s 360º tube rotation, pitch 1.375, 1.0mm slice thickness, volumetric reconstruction ratio 0.625/0.312), late arterial (or early venous) phase (3-6 seconds after arterial acquisition), and late venous phase. All patients had anesthesiologic support during CT scans.

 Segmentation of areas of interest

Consists of the conversion of hundreds of 2D (x,y cartesian axes data) CT DICOM images to a 3D voxel matrix (x,y,z cartesian axes data), allowing continuity to the 3D volume modeling workflow. Invesalius® 3.1 software semiautomatically permitted the selection of regions of interest (ROI) and performed digital extraction. DICOM files were imported, areas between 440-1300 HU were selected, and every image acquired was optimized for a less raw final voxel 3D matrix. The final product was converted and exported to STL extension.

Accurate cardiac segmentation and the selection of areas of interest rely on the expertise of the operators in both the CHD morphology and digital image processing. While artificial intelligence can significantly accelerate and automate this process, the high costs of commercially available platforms may limit the feasibility of establishing a 3D printing service in resource-limited hospital settings. Fortunately, there are free tools capable of converting DICOM into compatible STL or object file wavefront (OBJ) extensions, such as InVesalius®, 3DSlicer®, 3DView®, Horos®, ImageJ®, The Medical Imaging Interaction Toolkit®, ITK-Snap®, and Seg3D®.

 3D modelling

Once segmentation is complete, the resulting 3D volume undergoes processing in computer-aided design (CAD) software. At this stage, it is possible to eliminate irrelevant residual anatomic structures, and the rendering process allows editing, modeling, refining, filling, smoothing, inspecting, and correcting flaws that could affect the accurate interpretation of data by the 3D printer.

Using AutoDesk® Meshmixer™ 3.5.474, we created an external shell around the blood pool CT contrast acquisition, generating a wrap (3mm offset distance) surrounding the negative silhouette of the chambers and vessels (making hollow). Windows allowing intracardiac inspection were created for better visualization. A flat base was developed to maintain the structural integrity of the models during assembly and diminish supports necessity. Examples of free 3D modeling software include AutoDesk® Meshmixer™ and Blender®.

 Valve representation

Standard echocardiographic devices do not allow free export of data in a format eligible for printing and require specific proprietary software packages, challenging the representation of cardiac valves in affordable CHD models.6 For CHD models in which the representation of the valve apparatus was essential, such as AVSD and Truncus arteriosus, cardiac valves were digitized separately from two-dimensional echocardiography.

The heightmap technique is a cartographic strategy that has been used to create 3D maps (with depth and height) from 2D satellite/aerial views. It interprets the distance of displacement (or “height”) according to different luminosity degrees in parts of an image. They are usually displayed as a gray scale, where black represents minimum height (low areas) while white represents higher areas with a range of intensity luminosities/heights in between

2D grayscale JPG echo images of AVSD (end-systolic subcostal view of the common AV valve) and Truncus Arteriosus (parasternal short axis end-diastolic view of the truncal valve) were selected. The acquired 2D grayscale pixel matrix (x,y cartesian axes data) from the echo was converted to STL format using the Heightmap technique in the online tool Fabconvert©. After that, valves were graphically modelled, volume boosted, and design improved (AutoDesk® Meshmixer™ 3.5.474) and digitally inserted into the prototypes (Figure 1).

– Use of cartographic heightmap technique for conversion of 2D satellite images into 3D volume/height boosted maps as an alternative strategy for 3D modeling cardiac valves for educational purposes from a single 2D echocardiography (ECHO) image sample. A: 2D Brazil satellite 2D-image; B: Brazil heightmap; 1: ECHO image of a common atrioventricular valve end-systolic subcostal view in .jpg format; 2: Volumetric effect after Heightmap technique processing in .stl format; 3: Digital design volume boost optimization; 4 and 5: Insertion of final 3D object inside atrioventricular septal defect 3D frame; 6-10: Same process applied for a quadricusp truncal valve end-diastolic parasternal short axis view ECHO image sample for 3D modelling of truncus arteriosus educational model.

Slicing

The finalized digital models (STL or OBJ files) were converted into programming commands by PrusaSlicer® 2.4.2. Slicers segment the model into numerous layers, allow the addition of key printing parameters, and translate 3D data into G-code graphic representation extension, which contains commands that enable the printer to execute the physical manufacturing process. Examples of free slicers include PrusaSlicer®, Cura®, Craftware®, Repetier®, and Slic3r®.

 3D printing technical parameters

Filament type polylactic acid (PLA) 1.75mm, 1.24g/cm3, nozzle temperature 210ºC first layer (205ºC subsequent), bed temperature 60ºC, maximal volumetric speed 15mm3/s, 5mm retraction, and 60mm/s speed retraction. Printing nozzle diameter 0.4mm, resolution layer height 0.24mm, first layer (0.2mm subsequent), infill 20%, infill pattern hexagonal, top-bottom thickness 3mm, perimeter/bridges/support/infill speed 60mm/s, first layer 20mm/s, and skin overlap percentage 25%. Special modes, “adaptive layers,” and “smoothness” were used.

It is essential to thoroughly know your machine’s specifications and settings to optimize a low-cost desktop 3D printer by tuning key process parameters7.

 3D printer features

CHD educational models were developed by the Fused Deposition Modeling (FDM) additive manufacturing process technique in a Creality® Ender 3TMdomestic monofilament 3D printer with white PLA National 3D® PLA MAXTM 1.75mm filament.

 Post printing

Removal of thermoplastic residues and finishing of the model.

 Initial CHD prototypes

Twelve 3DP prototypes have been developed representing the following CHDs and subtypes: 1) Perimembranous central VSD with PDA; 2) Ostium secundum ASD; 3) TOF with pulmonary stenosis; 4) TGA; 5) Total AVSD type A (Rastelli classification); 6) CoA; 7) HLHS; 8) TriAtr type IC; 9) PulAtr type A (Barbero-Marcial classification); 10) TAPVC infracardiac type; 11) Truncus arteriosus type 1 (Collett-Edwards classification); and 12) IAA type C (Celoria-Patton classification).

 Expert team composition and initial evaluation of 3D-Printed CHD prototypes

Composed of 26 physicians affiliated with CardioPedBrasil® from various specialties, including pediatric cardiology, pediatric echocardiography, pediatric intensive care, pediatric cardiovascular radiology, pediatric interventional cardiology, and pediatric cardiovascular surgery.

They were briefed on the twelve 3DP CHD initial prototypes and completed a structured Likert-type questionnaire (QuestionPro Survey Software©). Data were analyzed, and the models were enhanced to optimize educational experience.

 Final models and creation of an educational box set

Following expert recommendations, the final models were standardized and 10% oversized compared to the original prototypes (Figures 2 to 6). The models were packaged in hardwood boxes with internal compartments and informative plates identifying each prototype.

– Representative 3D-printed congenital heart disease (CHD) models. 1: Proposal for an educational box of 3D-printed CHD models; 2: Model of ostium secundum atrial septal defect (ASD); 3 and 4: Model of perimembranous central ventricular septal defect (VSD) with Patent Ductus Arteriosus (PDA).

– Representative 3D-printed congenital heart disease (CHD) models. 1: Transposition of the Great Arteries (TGA) model; 2: Total atrioventricular septal defect (AVSD) type A (Rastelli classification) model; 3: Coarctation of the Aorta (CoA) model; 4: Truncus arteriosus type 1 (Collett-Edwards classification) model.

– Representative 3D-printed model of Total Anomalous Pulmonary Venous Connection (TAPVC) infracardiac type. 1: Wide view; 2 and 3: Detailed views.

– Representative 3D-printed congenital heart disease (CHD) models. 1 and 2: Model of Tetralogy of Fallot (TOF) with pulmonary stenosis; 3 and 4: Hypoplastic Left Heart Syndrome (HLHS) model.

– Representative 3D-printed congenital heart disease (CHD) models. 1: Tricuspid atresia (TricAtr) type IC model; 2: Pulmonary Atresia (PulAtr) with ventricular septal defect type A (Barbero-Marcial classification) model; 3 and 4: Interrupted Aortic Arch (IAA) type C (Celoria-Patton classification) model.

Clinical application scenario (educational session)

Fifteen cardiology and cardiac surgery residents were invited to a 3-hour seminar contemplating the main aspects of each of the 12 CHD proposed models. They attended a traditional educational session with audiovisual equipment (teaching with slides on a screen) and were exposed to the 3DP CHD educational box set (enhanced final version). A new qualitative assessment was performed.

 Financial issues

Financial planning is essential for a sustainable CHD 3D printing initiative. Infrastructure, facilities, equipment, maintenance, and funding are vital concerns. Software licenses, high-performance printers, and realistic printing supplies can be very expensive. Costs with support staff’s working hours as pediatric cardiac radiologist, biomedical engineering, digital designer, and all human resources integrated into the chain process vary in each country and need to be considered8. The use of free software, desktop 3D printers (some from under US$300 - 2025), and low-cost filaments (PLA 10-40 US$ per kilogram - 2025) enables prototyping with reduced expenditure. With self-goal-oriented study of printing steps and software functioning (segmentation, digital design, and slicing), professional working hours costs can be dramatically diminished, and any researcher can develop their own set of prototypes.

 Results

All residents strongly agreed with the statement: “I consider difficulty in spatial visualization one of the main obstacles to understanding congenital heart diseases”. Eighty percent of them had no previous knowledge about medical 3D printing.

Evaluating each model individually, 100% of residents strongly agreed that they were able to identify the primary anatomical characteristics defining VSD + PDA, ASD, TGA, CoA, HLHS, PulmAtr, TAPVC, Truncus Arteriosus, and IAA; other models’ evaluation (strongly agree/agree/disagree/strongly disagree) were ToF (86.6%/13.3%/0%/0%), AVSD (73.3%/26.6%/0%/0%), and TricAtr (86.6%/13.3%/0%/0%). Analysis of the main features related to the set of models is expressed in Figure 7.

– Resident’s evaluation of 3D-printed congenital heart diseases (CHD) models developed in this research (n=15).

They identified as potential educational benefited groups for 3DP CHD models “undergraduate students” (100%), ”interdisciplinary team” (100%), “cardiologists, cardiac surgeons and residents” (100%); and “family and children’s caregivers” (93%) (Figure 8).

– The resident’s answers were based on the presented statements. (n=15).

Discussion

This is a Brazilian initiative to develop a set of 3DP CHD models, based on real patient cases, potentially useful as a tool for pediatric cardiology and cardiac surgery education. We intend to describe a low-cost workflow, methodologically reproducible for any researcher, professional, or student using free software that’s easily available for downloading. There are online free courses aimed at teaching how to work with segmentation, digital design, slicing, and 3D printer technology. The original research with full detailing and all 3DP CHD models created are available for free at http://sites.google.com/view/3dpequenoscoracoes and http://cardiopedbrasil.com.br/pesquisa as STL files for 3D printing. We expect that everyone can print their own set of 3D models and apply them in your realities to share knowledge. In Brazil, examples in the field of 3D printing, CHD, and education were published, highlighting the increasing importance of this topic.7-11 Education is, and always must be, the main goal of efforts to qualify all people dedicated to children with CHD.

Traditional teaching methods, regardless of the educational resource used, are limited to flat-surface representations of anatomy. Whether it is textbooks, diagrams, radiographs, echocardiography, catheterizations, or projections of volumetric renderings from CT or magnetic resonance imaging exams, when presented on a screen or monitor, all ultimately represent the heart in two planes.12

Although dissection and study of pathological specimens have historically remained the gold standard of anatomical education, there are limitations to maintaining this practice.13 In fact, in most healthcare facilities worldwide, direct observation of specimens during surgical procedures, autopsies, or within pathology laboratories is either limited or not available. Iwanaga et al., reviewing modern methods of anatomy education, highlighted the importance of a multidisciplinary approach, including 3D printing, augmented reality, and virtual reality. They related that learning through 3DP is generally perceived to be enjoyable and effective.14

3D printing is a rapid manufacturing method used to create physical, three-dimensional objects from digital files. Recent technological advancements and the expiration of industrial patents have significantly reduced the costs of 3D printing equipment and supplies, making this technology more accessible. Thus, cost-effective approaches have been explored. Gómez-Ciriza et al. developed CHD models using free software, desktop 3D printers, and low-cost materials, maintaining great anatomical accuracy and high quality suitable for clinical practice.15 Sun et al. showed that low-cost 3DP CHD models were highly accurate in replicating anatomy, highlighting the feasibility of 3DP technology in medical education and clinical practice.16 Grieshaber et al. described a workflow based exclusively on the use of open-source software and low-cost hardware suitable for regions with low economic resources.17

The quality of 3D models is influenced by characteristics of each imaging modality. In this study, educational 3DP models were developed based on cardiac CTAs known for their excellent visualization of vascular structures. Consequently, the 3DP models that predominantly characterize extracardiac defects, such as TGA, CoA, HLHS, TAPVC, IAA, PulmAtr, and Truncus arteriosus, received higher evaluations from evaluators compared to prototypes representing intracardiac defects like TOF, AVSD, and TricAtr.

Many factors can affect the dimensional accuracy of 3DP anatomical structures, including the quality of image acquisition, segmentation, digital design, slicing parameter configuration, 3D printer resolution, and type of filament.18 The anatomical accuracy of 3DP models was studied by Lee, Squelch, and Sun, who compared the 3DP models to original CT images of congenital defects. After analyzing multiple anatomical landmarks, the authors related an excellent anatomical correlation (r = 0.99) and minimal differences between the 3DP models and original images, all measuring less than 0.5 millimeters (mean = 0.21 ± 0.37 mm; mean percentage difference ranging between 0.4 and 0.9%), with no statistically significant difference.19 In our study, 93.3% of cardiology and cardiac surgery residents 93.3% strongly agreed that 3DP CHD models were “faithful to the anatomy of the disease”, “visually appealing”, and “of adequate size”.

High-quality imaging is essential for the prototyping process. However, CT is not always the necessary complementary exam for diagnosing and managing certain CHDs. In this context, to develop some of the 3DP models presented in this study, we sought image sets of CHD patients who had undergone a cardiac CT to investigate associated morbidities. Example: an infant diagnosed with a VSD and obstructive respiratory symptoms, who underwent a CT to investigate extrinsic airway compression. This strategy made it possible to find images of ASD, ToF, AVSD, and TGA. The selected images were processed to eliminate irrelevant details, emphasizing only the lesions of educational interest.

Cardiac valves and support apparatuses are important anatomic landmarks of cardiac morphology. Valve leaflets and chords are constantly moving, delicate structures, and accurate 3D replication remains challenging, especially when developing affordable CHD 3DP models. Echocardiography offers superior visualization of valve apparatus, but the absence of standardized format storage and difficulties in converting files to DICOM are limiting factors. Specialized centers can develop very realistic 3DP cardiac valves using hybrid approaches combining different imaging modalities, graphic computer-aided design tools, and soft printing materials.20-22 In our research, we did not have access to commercial echocardiographic software packages. Thinking about how 3D topographic maps are produced based on 2D satellite images, we used the Heightmap cartographic technique to convert 2D echo files to STL, graphically optimize them, and integrate final object valves (ring and leaflets) to the models.

Concepts in pediatric cardiology are routinely shared by a heterogeneous group, including students, residents, physicians, nurses, physiotherapists, family members, and patients. Spatial visualization ability refers to the cognitive capacity to understand and mentally manipulate conceptual objects, comprehending the relationship between objects in space. In this context, the improvement of spatial visualization ability offers educational advantages in understanding anatomy and the development of motor skills.23 Our study revealed that for 100% of residents interviewed, “difficulty in spatial visualization is one of the main obstacles to understanding CHD”.

Due to the complexities of CHD anatomy, 3DP CHD models are well-suited as an adjunct to traditional teaching methods as they overcome limitations with 2D representations of 3D structures.

In a randomized clinical trial, Karsenty et al. showed the educational benefits of using 3DP CHD models for teaching. The group exposed to the models showed superior levels of objective knowledge and satisfaction compared to the control group. The possibility of sharing and manipulating 3DP models positively influenced the evaluations.24 Su et al. demonstrated that 3DP models offer advantages over other pedagogical tools, as they provide rich spatial and structural information and can be optimized for educational purposes. The 3DP models were more effective than other strategies in terms of knowledge acquisition and structural conceptualization.25 For the Tarca et al. cohort, the 3DP group had a significant increase in subjective confidence, knowledge, and post-intervention examination score. 92% of participants rated 3D models as “very useful” or “useful” (average rating of 4.7/5.0).26 In our context, 100% of residents’ evaluators considered that 3DP CHD models “are an important pedagogical resource”, “easy to manipulate”, “apparently resistant”, and “capable of motivating the study”.

The tactile properties of 3DP models may offer a positive evaluation of the learning experience. Lau and Sun compared medical student groups that attended a 1.5-hour-long educational session and had access to identical teaching materials (2D diagrams, 3D digital models, DICOM images). An intervention group used 3DP CHD models. They showed no statistically significant improvement in immediate and long-term (6 weeks after) CHD knowledge acquisition, but students indicated that the teaching method was “interactive and interesting”, “easy to understand”, “knowledge about CHD has improved”, and “played an important role in helping them to understand CHD”.27 We have found a confident answer behavior since residents related 3DP CHD models “allow better spatial and structural conceptualization” and are “useful for understanding more complex heart diseases”.

Hessen et al. developed an innovative teaching program including 3D printing as a tool for anatomy education of medical students. Undergraduate medical students were trained to construct 3D models and/or extended reality prototypes. Qualitative survey questions (minimal-maximal scores 1-5) inferred that students considered the built anatomical models “draw my attention (4.4)”, were “attractively constructed (4.1)”, “easy to use (4.0)”, “stimulated me to actively engage (4.7)”, “were meaningful to work with (4.2)”, “provided satisfaction (4.1)” and “motivated me to study anatomy (4.5)”.28 Similar responses were found in our residents’ evaluation.

Biglino et al. evaluated the potential of patient-specific models in improving parental understanding during consultations. Feedback analysis revealed that 3DP models were quickly comprehensible, stimulated curiosity, and could be particularly useful. The authors concluded that these models optimized communication and positively impacted psychological acceptance of treatment.29 The same researchers assessed the effect of using 3DP CHD models in consultations with adolescents aged 15 to 18. A significant improvement was observed in their confidence in explaining their own condition (p=0.008), disease knowledge level (p=0.005), and satisfaction with the consultation (p=0.005).30,31

Technological advancement has made it possible to incorporate the use of virtual reality (VR), augmented reality (AR), computational modeling, and artificial intelligence (AI) in CHD practice. These methods are allies of standard imaging techniques and deliver personalized medicine. Immersive visualization tools can optimize educational opportunities, communication during consultations, surgical planning, decision making, device manufacturing projects, computational fluid, and dynamic circulatory simulation. These tools similarly demand computers, VR headsets, advanced medical imaging processes, and proper expertise. Although static, 3D printing offers tactile properties and a long-term physical collection of pieces in a scenario of scarcity of pathological CHD specimens. Tissue engineering is an emerging field seeking the promise of 3D bioprinting vascular scaffolds, valves, heart, tissue patches, myocardium and ultimately beating hearts31.

Limitations and future perspectives

Prototypes were manufactured using a desktop 3D printer equipped with a single extruder nozzle, allowing for the use of only one type of filament and color at a time.

PLA filament was chosen because it is easily accessible, low-cost, and it´s capable of generating models with satisfactory physical features for educational purposes.

Cardiac valves were represented using an alternative, non-validated approach. We accepted this raw representation (just ring and leaflets) because the models were solely intended for educational purposes. However, it would not be suitable if we aimed for clinical decision-making or surgical planning, where precise anatomical replication of papillary muscles and chordae tendineae is essential.

By the intrinsic characteristics of medical residency, this group of evaluators had a close relation to the main researcher, which may influence the way the set of 3D models was analyzed. However, the expert team evaluation has shown convergent responses that make us believe in the coherence of residents’ answers.

Transdisciplinary work was fundamental for this project. Technical expertise obtained will pave the way for an expanded educational box, which may include diseases not explored here.

 Conclusion

Development of 3DP CHD models using a low-cost workflow is feasible. We suggested a detailed process with open-source, freely available software, an alternative strategy for cardiac valve representation, low-cost materials, and a desktop 3D printer that can be reproduced by any researcher in low-resource settings. Models developed are freely available for download at http://sites.google.com/view/3dpequenoscoracoes and http://cardiopedbrasil.com.br/pesquisa].

There were no external funding sources for this study.

This article is part of the thesis of doctoral submitted by Francisco Candido Monteiro Cajueiro, from Programa de Pós-graduação em Ciências da Saúde da Faculdade de Medicina de São José do Rio Preto (FUNFARME/FAMERP).

This study was approved by the Ethics Committee of the Faculdade de Medicina de São José do Rio Preto under the protocol number CAAE: 48575021.3.0000.5415. Informed consent was obtained from all participants included in the study.

The authors did not use any artificial intelligence tools in the development of this work.

The underlying content of the research text is contained within the manuscript.