Modelo de simulación biomecánica en el tratamiento broncoscópico de las lesiones estenosantes de la vía aérea principal

Resumen

RESUMEN DE LA TESIS: MODELO DE SIMULACIÓN BIOMECÁNICA EN EL TRATAMIENTO BRONCOSCÓPICO DE LAS LESIONES ESTENOSANTES DE LA VÍA AÉREA PRINCIPAL. 1.- INTRODUCCIÓN. La tráquea es un estructura anatómica que puede verse afectada por gran número de patologías tanto benignas como malignas que conducen a un hecho común en la mayoría de los casos, la obstrucción del flujo aéreo, bien por reducción del calibre (estenosis) o por la pérdida de la rigidez de las paredes (malacia). Esta obstrucción se manifiesta clínicamente como una dificultad respiratoria que en ocasiones, si no se instaura algún tipo de tratamiento, puede ser severa e incluso conducir al fallecimiento del individuo. Hasta la década de los 60, las estenosis traqueales se solucionaban en su inmensa mayoría mediante la realización de una traqueotomía y colocación de cánulas con longitud suficiente para salvar la estenosis, y tan sólo en casos seleccionados se realizaba resección quirúrgica del segmento afectado y posterior reconstrucción. La aparición de las endoprótesis traqueales supuso un hito importante en el tratamiento de las estenosis de la vía aérea principal, aportando una solución rápida, eficaz y relativamente poco agresiva. Sin embargo su colocación no está exenta de complicaciones y efectos secundarios. Si bien en la mayor parte de los casos estas complicaciones son leves, como pueden ser la retención de secreciones o la aparición de granulomas, en ocasiones pueden ser severos con desplazamientos completos de la prótesis, obstrucción o hemorragias que pueden poner en peligro la vida del paciente. En nuestro centro se realiza tratamiento broncoscopio de estenosis de la vía aérea principal desde el año 2000 con alrededor de 350 casos intervenidos, 420 endoprótesis implantadas y aproximadamente 500 procedimientos realizados abarcando múltiples etiologías tanto benignas como malignas. Analizando de forma retrospectiva las complicaciones ocurridas se objetivó que en un número importante de los casos estaban en relación con una mala elección de la endoprótesis en cuanto al modelo y dimensiones, o bien por una mala elección del lugar de implantación. Hasta la fecha, la planificación preoperatoria de la cirugía broncoscópica traqueal, incluyendo la selección del material, tipo y ubicación de las prótesis se basa en la experiencia del cirujano, el material disponible y en las imágenes de tomografía computarizada (TC) o resonancia magnética realizadas al paciente. Dados estos hecho, se decidió intentar crear un simulador de la colocación de endoprótesis traqueales que, al mismo tiempo que permitiese realizar una planificación preoperatoria lo más precisa posible, utilizando la anatomía concreta de cada paciente, consiguiese aportar datos acerca de cuál sería el comportamiento de la prótesis una vez colocada en la vía aérea. 2.- HIPÓTESIS. La elaboración de un modelo informático de vía aérea, con propiedades físicas reales y la posibilidad de recrear la anatomía concreta de un paciente, sobre el que poder simular la implantación de endoprótesis supondría disponer de una importante herramienta para el profesional sanitario. Con ella sería posible tanto planificar el tratamiento óptimo para las condiciones particulares de cada individuo así como obtener información aproximada del comportamiento que tendrá la prótesis, anticipando eventuales complicaciones, a medio o largo plazo, derivadas de la implantación. 3.- OBJETIVOS. El objetivo fundamental de esta tesis fue el de diseñar un simulador de implantación de endoprótesis traqueales mediante la elaboración de modelos matemáticos fiables de comportamiento biomecánico de la vía aérea humana sana y patológica. Así como el de diseñar modelos matemáticos de comportamiento de las endoprótesis más utilizadas en nuestro medio (cilíndricas, de silicona) con la finalidad de insertarlas en el modelo de vía aérea para el posterior análisis de la interacción entre ambos. 4.- METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO. La metodología seguida se distribuye en siete tareas principales. 1.- Selección y adecuación de una herramienta de visualización: se eligió el visualizador radiológico ALMA 3D®, de la empresa AlmaIT® Systems (Barcelona, España) por su calidad gráfica y sencillez de utilización. Antes de su incorporación al proyecto se diseñó una experiencia inicial realizando una planificación preoperatoria en un grupo pequeño de pacientes que presentaban estenosis de la vía aérea, comparando los resultados con los de un grupo de pacientes intervenidos previamente en nuestro servicio sin la ayuda del visualizador. 2.- Análisis morfológico y caracterización biomecánica de los tejidos traqueales: se realizaron exámenes tanto histológicos como mecánicos sobre tejidos humanos (músculo liso y cartílago) extraidos de autopsias y de donantes cadáver. Con los resultados obtenidos del estudio mecánico se elaboraron gráficas de comportamiento tisular que posteriormente se utilizaron para elaborar las funciones matemáticas que se aplicaron al modelo tridimensional. 3.- Diseño de un modelo tridimensional de la vía aérea: con los datos obtenidos del estudio anatómico de los tejidos humanos se eleboró un modelo tridimensional informático de la vía aérea independizando los distintos tejidos constituyentes (cartílago, membranas interanulares y músculo liso). A este modelo anatómico se le aplicaron las propiedades mecánicas obtenidas con los ensayos de tracción tisular. 4.- Caracterización biomecánica del material de las prótesis y diseño de modelo tridimensional: se seleccionaron las cilíndricas de silicona y se realizaron ensayos de mecánicos sobre el material constituyente de las prótesis incluidas. Posteriormente se diseñaron en tres dimensiones las endoprótesis en los calibres y longitudes disponibles comercialmente. A estos modelos se les aplicaron las propiedades analizadas mediante los estudios mecánicos. 5.- Estudio y definición del movimiento de deglución: mediante fluoroscopia se realizaron exámentes en dos pacientes con lesiones en vía aérea antes y después de la colocación de una endoprótesis cilíndrica, de silicona, en la tráquea. 6.- Integración de los modelos tridimensionales en el visualizador ALMA 3D®: una vez creado un modelo tridimensional, personalizable, con propiedades mecánicas reales y con un movimiento de deglución impuesto válido se integró en el visualizador radiológico ALMA 3D®, dentro del Módulo Trachea de forma que todos los elementos se encontrasen disponibles en una única herramienta. 7.- Validación preliminar de la herramienta en casos reales: la última tarea contemplada en este trabajo fue la de utilizar el ¿software¿ desarrollado en diez de casos y se realizó una comparación entre los resultados en los modelos matemáticos y lo ocurrido en los pacientes reales, estudiando los extremos proximal y distal de la endoprótesis. Los valores estudiados fueron el desplazamiento y la tensión existente entre los dos modelos matemáticos. 5.- RESULTADOS. Se detallan los resultados obtenidos para una de las tareas principales. 1.- Selección y adecuación de una herramienta de visualización: las modificaciones del software ALMA 3D® incluyeron la creación de una librería de endoprótesis y herramientas de segmentación y eliminación de las lesiones estenosantes de la vía aérea. La experiencia preliminar realizada en 23 pacientes mostró una reducción del número de procedimientos adicionales a realizar tras la colocación de una endoprótesis del 25.6% al 11.7% en los pacientes en los que se realizó la planificación preoperatoria con ALMA 3D®. El estudio de la concordancia de la planificación realizada por profesionales con alta, media y baja experiencia en el tratamiento de estenosis traqueales mostró resultados de índice kappa entre 0.79 y 1 en todos los parámetros analizados. 2.- Análisis morfológico y caracterización biomecánica de los tejidos traqueales: los ensayos experimentales en cartílago hasta un 5% de deformación se obtuvieron curvas de tensión ¿ relajación cuasi-lineales, es decir, con una relación prácticamente directa entre la fuerza aplicada y la deformación obtenida. En el músculo liso se objetivó un comportamiento lineal inicial hasta el 5% de deformación que se asume como debido a la acción de la matriz tisular. Posteriormente se produce un crecimiento exponencial que se atribuye a la acción de las fibras de colágeno. 3.- Diseño de un modelo tridimensional de la vía aérea: se diseñó un modelo de vía aérea genérica constituido por 28.350 elementos hexaédricos divididos en 5 grupos: mucosa, membrana externa, musculatura lisa traqueal, elementos cartilaginosos (cartílago tiroides, cricoides y anillos traqueales) y ligamentos intercartilaginosos e interanulares. A esta malla genérica, se le aplican las propiedades biomecánicas estudiadas en los ensayos mecánicos en tejidos y posteriormente se deforma utilizando como referencia la anatomía específica del paciente. 4.- Caracterización biomecánica del material de las prótesis y diseño de modelo tridimensional: tras la realización de los ensayos mecánicos se consideró la silicona como un material elástico con comportamiento lineal. Se diseñaron las endoprótesis de Dumon utilizando 16.000 elementos lineares cuadrangulares. 5.- Estudio y definición del movimiento de deglución: el análisis del movimiento de deglución permitió la elaboración de gráficas para la descripción de la trayectoria que sigue la vía aérea. El estudio de pacientes concretos mostró una reducción del rango del movimiento del 65 y el 80% del inicial tras la colocación de endoprótesis. 6.- Integración de los modelos tridimensionales en el visualizador ALMA 3D®: todos los elementos diseñados se integraron el el software desarrollado por ALMA IT®, al que se le realizaron modificaciones en el software inicial, dotándolo de herramientas específicas para el ¿tratamiento¿ de las lesiones sobre el modelo informático. 7.- Validación preliminar de la herramienta en casos reales: en la tabla 1 se muestra, de forma resumida, el grado de correlación entre la simulación de la tensión entre los dos modelos y los resultados obtenidos en los pacientes reales. En la tabla 2 se muestra la correlación entre la simulación del desplazamiento entre los dos modelos y los resultados obtenidos en pacientes reales. Extremo proximal Extremo distal Correlación completa 6 7 Correlación parcial 1 0 Ausencia de correlación 3 3 Tabla 1: resumen de los resultados obtenidos en los pacientes en el estudio de la correlación entre la simulación de la tensión en los modelos computacionales y los resultados reales objetivados por fibrobroncoscopia. Extremo proximal Extremo distal Correlación completa 5 5 Correlación parcial 3 1 Ausencia de correlación 2 4 Tabla 2: resumen de los resultados obtenidos en los pacientes en el estudio de la correlación entre la simulación del desplazamiento en los modelos computacionales y los resultados reales objetivados por fibrobroncoscopia. 6.- DISCUSIÓN. ¿ Experiencia inicial en el uso de ALMA 3D ®: los estudios preliminares realizados indican que incluso un cirujano con poca experiencia en este tipo de patología es capaz, a través de la realización de mediciones en las reconstrucciones de las imágenes de TC, de sentar las bases para una correcta indicación quirúrgica y la orientación hacia qué tipo de prótesis es preciso utilizar en un paciente concreto. Respecto a la relevancia clínica, en el grupo de pacientes en los que se realizó la simulación 3D existió una importante disminución en el número de procedimientos adicionales necesarios tras la cirugía de colocación de endoprótesis. ¿ Caracterización biomecánica de los tejidos de la tráquea humana: los ensayos tisulares sobre el cartílago traqueal mostraron un comportamiento similar al de los sólidos incompresibles. Los resultados son concordantes con los resultados obtenidos en trabajos anteriores. Respecto al músculo liso, los resultados han mostrado un comportamiento mecánico del tejido lineal hasta el 5% de deformación respecto a la longitud inicial de la muestra. A partir del 5% de deformación el músculo liso traqueal presenta un comportamiento no lineal, atribuido a la acción de las fibras colágenas. ¿ Caracterización biomecánica de las endoprótesis de silicona: los resultados obtenidos en la silicona de las endoprótesis coinciden con trabajos previos de otros autores que la consideran como un material con un comportamiento prácticamente lineal. ¿ Simulación del movimiento de la deglución. Análisis del efecto de la implantación de endoprótesis: los resultados obtenidos del estudio de la deglución muestran valores fisiológicos de desplazamiento de las estructuras laringotraqueales similares a los definidos por los estudios realizados por otros autores previamente. La implantación de la prótesis conduce a una importante restricción del rango de desplazamiento en los estudios de imagen, del 80 y el 65% en cada uno de los pacientes. Esta limitación del movimiento puede explicar la dificultad inicial para la deglución que experimentan algunos pacientes tras la colocación de una endoprótesis traqueal y que, de forma tradicional, se ha atribuido al traumatismo de la región faringo-laríngea que se produce debido a la intervención quirúrgica. ¿ Evaluación de la interacción entre los distintos modelos computacionales. Simulación de casos concretos: se han evaluado sólo diez casos. No obstante, el objeto de las simulaciones realizadas en estos primeros pacientes que se presentan, es realizar una evaluación preliminar de la herramienta desarrollada, más que establecer unos resultados firmes o estadísticamente significativos. Únicamente se ha simulado la deglución y, probablemente, existan muchas otras circunstancias que influyan en la tolerancia o intolerancia a la colocación de una endoprótesis en la vía aérea, como pueden ser los movimientos cervicales, la tos o incluso los movimientos respiratorios basales y forzados. Existe un amplio rango de tiempo entre la colocación de la endoprótesis y la aparición de las lesiones ocasionadas en la vía aérea. Por el momento no hemos encontrado ninguna relación entre este hecho y las simulaciones realizadas. Es posible que dependa de la intensidad de la tensión o del grado de desplazamiento entre prótesis y tráquea. Estudios más amplios evaluando los valores numéricos obtenidos en las simulaciones podrían aportar datos que explicasen esta variabilidad en la cronología de la aparición de las lesiones. Por último, únicamente se han tenido en cuenta los factores mecánicos en la tolerancia a la endoprótesis, cuando existen otros factores como el grado de respuesta inflamatoria, intensidad de la reacción a cuerpo extraño o la colonización e infección bacteriana que influyen de forma significativa en la aparición de complicaciones tras la implantación. De forma general encontramos la aparición de más lesiones en la zona superior de la endoprótesis, hecho que se observa con frecuencia en la práctica clínica habitual. En todos los casos simulados se aprecia que la zona superior de la tráquea es la que presenta mayor movilidad y tensión. Probablemente esto causa que se produzcan zonas de fricción importante entre la prótesis y la vía aérea, generándose así las lesiones inflamatorias. El extremo distal de la endoprótesis se encuentra ubicado en una zona de la tráquea con menor movilidad según el modelo biomecánico, lo que puede explicar la menor frecuencia de aparición de lesiones a este nivel. En el análisis detallado de tensión entre los modelos traqueal y de endoprótesis encontramos una correlación completa o parcial con los resultados observados en las revisiones fibrobroncoscópicas en 7 de los 10 casos, tanto en el extremo proximal como en el distal de la endoprótesis y en el análisis del desplazamiento encontramos una correlación completa o parcial en 8 de los 10 casos en el extremo proximal y 6 de los 10 en el extremo distal. Actualmente no tenemos datos suficientes para afirmar cuál de los dos parámetros determinados, tensión y desplazamiento, es mejor predictor de los resultados y complicaciones aparecidas a medio y largo plazo. Igualmente carecemos de información que nos permita deducir la ausencia de correlación en varios de los casos simulados y será precisa la realización de trabajos más extensos y aumentando el número de pacientes para poder llegar a conclusiones sólidas. 6.- CONCLUSIONES. ¿ Experiencia inicial en el uso de ALMA 3D ®: - La planificación preoperatoria con el software ALMA 3D ® disminuye de forma significativa el número de procedimientos adicionales necesarios a realizar a los pacientes tras la colocación de una endoprótesis en la vía aérea. - El software puede ser utilizado por profesionales con experiencia limitada en este tipo de intervenciones con resultados, en la planificación, similares a los de profesionales con alta experiencia. Esto hace al software apropiado para fines formativos. ¿ Caracterización biomecánica de los tejidos de la tráquea humana: - El cartílago traqueal es un material viscoso. No obstante, en la fase de carga (incremento de la tensión) tiene un comportamiento mecánico lineal. - El músculo liso traqueal es un tejido con comportamiento no lineal. - Los resultados obtenidos, concordantes con los de trabajos realizados previamente, se pueden aplicar sin problemas al modelo biomecánico desarrollado. ¿ Caracterización biomecánica de las endoprótesis de silicona: - La silicona es un material viscoso, anisotropo y con un comportamiento lineal. - Los resultados obtenidos, concordantes con los de trabajos realizados previamente, se pueden aplicar sin problemas al modelo biomecánico desarrollado. ¿ Simulación del movimiento de la deglución. Análisis del efecto de la implantación de endoprótesis: - El estudio fluoroscópico permite definir de forma precisa el movimiento de la deglución. - La colocación de una endoprótesis restringe de forma importante el movimiento de ascenso de la tráquea durante la deglución. - La colocación de una endoprótesis aumenta los valores de tensión de la pared de la vía aérea en reposo y durante la deglución - El aumento de tensión no es homogéneo en toda la superficie traqueal, sino que depende de la endoprótesis (dimensiones) y de la morfología de la vía aérea. ¿ Evaluación de la interacción entre los distintos modelos computacionales. Simulación de casos concretos: - Los modelos biomecánicos generados en el proyecto han mostrado unos buenos resultados preliminares en la predicción del comportamiento de las endoprótesis colocadas en la vía aérea. - La mayor frecuencia de aparición de lesiones en el extremo superior de la endoprótesis parece estar en relación con que se trata de la zona de mayor movilidad y que mayor tensión experimenta. - Es precisa la realización de estudios más amplios para establecer los rangos de valores en los que se producen las lesiones en la vía aérea. Así como la influencia de otra serie de factores, aparte de los mecánicos, en la aparición de lesiones traqueales.