Immagina come si possa essere sentito il personale medico dell’epoca quando furono introdotti nuovi strumenti in ambito medico, come i raggi X, le TAC o le risonanze magnetiche. Pensa alla trasformazione epocale di quella tecnologia che ha dato a medici e infermieri la possibilità di vedere l’interno del corpo del paziente senza aprirlo. Un mondo completamente nuovo, no?
La stessa trasformazione è avvenuta con l’avvento della stampa 3D per la chirurgia. Invece di limitarsi alle immagini su uno schermo, medici e pazienti si sono potuti servire di strumenti fisici in 3D per acquisire informazioni sul paziente e proporre diagnosi più accurate. Oggi diversi ospedali utilizzano regolarmente questa tecnologia per analizzare con maggiore precisione casi complessi o rari. I risultati sono notevoli: i tempi di intervento possono essere ridotti di ore, i risultati chirurgici possono essere migliorati e i pazienti possono affrontare un’operazione avendo una migliore conoscenza della situazione.
(Crediti fotografici: Stratasys)
Ed è solo l’inizio: il numero di ospedali negli Stati Uniti dotati di stampanti 3D all’interno o in prossimità dell’ospedale stesso è passato da tre nel 2010 a oltre 100 oggi. Le applicazioni della stampa 3D per la chirurgia sono tantissime, dalla creazione di guide chirurgiche a impianti personalizzati e con il crescente interesse per il settore, si svilupperanno sicuramente nuove applicazioni. In questo articolo, mettiamo sotto i riflettori gli strumenti per la pianificazione chirurgica per esplorare come questi dispositivi stiano avendo un impatto nel settore.
Esistono vari tipi di strumenti stampati in 3D utilizzati per la pianificazione chirurgica. Qui di seguito, ne indichiamo tre tra i più comuni. Poiché questa tecnologia è ancora relativamente nuova, questi strumenti sono spesso indicati con nomi diversi e, per fare un po’ di chiarezza, includeremo anche i sinonimi.
I modelli chirurgici sono rappresentazioni 3D in scala 1:1 dell’anatomia di un paziente che permette al chirurgo di comprendere meglio quale approccio utilizzare per ciascun intervento, rappresentando dunque un passo avanti rispetto alle tradizionali scansioni TC o RM. I modelli chirurgici sono uno strumento realistico che permette di comprendere la relazione spaziale tra organi, ossa o tessuti, qualunque sia l’anatomia pertinente al caso. Spesso i modelli chirurgici vengono utilizzati per capire dove si trovano i tumori in relazione all’anatomia circostante e per sviluppare strategie di ricostruzione. Si tratta di informazioni utili sia per il medico che per il paziente e la sua famiglia.
Modello chirurgico di un modello stampato in 3D specifico per il paziente che rappresenta un aneurisma dell’arteria cerebrale. (Crediti fotografici: 3D4MED)
Chiamate in lingua inglese come patient-specific guide (PSG) o guida di taglio, le guide chirurgiche sono utili per istruire il chirurgo su quali azioni compiere durante l’intervento. Questi strumenti monouso vengono realizzati su misura per il paziente e poi applicati direttamente sul corpo durante l’intervento. Funzionano come una sagoma, o stencil, indicando al chirurgo dove posizionare una lama, una vite o qualsiasi altro strumento stia utilizzando. A volte possono indicare la profondità e la direzione di una manovra. In sostanza, le guide chirurgiche aiutano a garantire l’esattezza della procedura. Vengono utilizzate per vari interventi, tra cui quelli più comuni sono la chirurgia maxillo facciale, la chirurgia dentale, le osteotomie e la chirurgia ortopedica.
Guida di taglio pelvica creata specificatamente per un paziente e stampata in 3D presso lo stabilimento di produzione Insight Surgery all’interno del Children’s Nebraska.(Crediti fotografici: Insight Surgery)
I modelli di simulazione sono simili ai modelli anatomici chirurgici, ma non sono utilizzati per servirsene sul paziente, bensì per l’istruzione e la formazione. Possono essere progettati nello stesso modo delle guide chirurgiche, ma poiché non vengono utilizzati per la pianificazione prechirurgica di un paziente specifico, possono essere modificati o addirittura creati senza l’uso di immagini radiologiche. Possono avere caratteristiche realistiche, in cui ogni pezzo di anatomia imita il tessuto reale. La carne sembra carne, le ossa imitano in tutto e per tutto le ossa vere, gli organi riproducono in modo accurato la densità di ciascun organo, mettendosi come valida alternativa all’uso di modelli reperiti dai cadaveri. I chirurghi possono eseguire operazioni completamente simulate su questi modelli. I phantom sono un tipo specifico di simulazione utilizzato negli studi di radiologia per la formazione in materia di raggi X, TAC, risonanza magnetica ed ecografia. In queste simulazioni, i materiali stampati in 3D hanno un aspetto molto simile ai tessuti reali del paziente, migliorando la formazione dei professionisti della diagnostica per immagini e riducendo la dose di radiazioni (o il tempo di scansione per la risonanza magnetica e l’ecografia) per il paziente.
Chirurghi che si esercitano su un modello di cuore pediatrico stampato in 3D (Crediti fotografici: Stratasys)
Se gli strumenti stampati in 3D non sono necessari per ogni intervento chirurgico, che cosa giustifica la loro produzione? Per quanto riguarda i modelli e le guide chirurgiche, di solito vengono creati per quelle parti aventi un’anatomia unica o complessa, le cui caratteristiche complessive non emergono con una semplice risonanza magnetica o una TAC. Secondo il dottor Peter Rose, chirurgo ortopedico dei tumori presso la Mayo Clinic di Rochester, Minnesota, questi strumenti sono utili nel caso in cui si debbano andare ad operare nelle parti centrali del corpo.
Ha spiegato: “Se qualcuno ha un tumore intorno al ginocchio, per esempio, è abbastanza facile da capire come procedere… i tagli che si fanno per la maggior parte saranno tagli abbastanza dritti, che possono essere fatti sia servendosi di una telecamera a raggi X per guidarci, che con una maschera di taglio o a mano libera. Ma quando abbiamo tumori che si trovano all’interno e intorno al bacino, per esempio, o tumori che si trovano all’interno e intorno alla colonna vertebrale, dove sono molto complicati e si estendono su diversi comparti anatomici…[la stampa 3D] è uno strumento estremamente utile”.
Il Dott. Rose ha osservato che, nel caso dei tumori, è importante rimuovere un tumore interamente e in un unico pezzo, con una fascia di tessuto sano intorno come margine. “L’anatomia su cui dobbiamo lavorare spesso non è dritta e rettangolare”, ha detto. “Si curva e si muove, e quindi [la stampa 3D] ci ha permesso di identificare le traiettorie da utilizzare per effettuare un taglio intorno alle cose”.
Modello chirurgico di un tumore (nero e viola) sull’osso pelvico (bianco), insieme ai vasi venosi (blu) e arteriosi (rossi). Questo modello specifico è stato utilizzato per uno specifico paziente per pianificare la resezione chirurgica del tumore pelvico, in modo che il chirurgo potesse comprendere meglio la morfologia, la localizzazione e la vascolarizzazione della massa (Crediti fotografici: 3D4MED)
Phantom e modelli, invece, potrebbero essere stampati per sostenere la formazione chirurgica generale o per permettere ai medici di esercitarsi su casi specifici di pazienti. Il Seattle Children’s Hospital, ad esempio, stampa in 3D le trachee dei pazienti che hanno problemi di respirazione. L’otorinolaringoiatra può quindi tagliare e ricucire i punti di sutura segnalati grazie alla stampa 3D, facendo pratica di chirurgia prima dell’operazione vera e propria.
Per ogni processo di stampa 3D, il primo passo è sempre la creazione del modello 3D, che si tratti di una scansione o di un disegno. Poiché la TAC o la risonanza magnetica fanno già parte del processo preoperatorio, le scansioni sono già disponibili per la stampa 3D. Utilizzando queste scansioni MRI o TC del reparto di radiologia, gli specialisti di imaging 3D possono sviluppare modelli 3D dell’anatomia desiderata. Naturalmente, il processo di stampa 3D degli strumenti chirurgici varia a seconda che l’ospedale stampi in 3D da solo o in outsourcing. In questa sezione, esamineremo il processo che seguono negli ospedali per stampare in 3D delle parti.
Una volta ottenute le scansioni, gli specialisti dell’imaging 3D devono eseguire la segmentazione, ossia definire le strutture desiderate per una migliore visualizzazione. L’obiettivo principale della segmentazione è identificare i confini di varie parti come tumori, ossa, organi e vasi sanguigni. Spesso, per la stampa 3D, questa operazione deve essere eseguita manualmente, perché i casi per cui ci si serve della stampa 3D sono quasi sempre unici. Tuttavia, alcune soluzioni di intelligenza artificiale sono state integrate in questo processo.
Gabe Linke, responsabile del settore 3D del Children’s Nebraska, ha spiegato: “In alcuni casi, [l’IA] ci aiuta a semplificare un po’ il processo all’inizio, ma poi c’è molto lavoro manuale da fare… Siamo entusiasti perché, con il miglioramento dell’IA, probabilmente saranno necessari sempre meno dati per addestrare modelli di successo”.
(Crediti fotografici: Bastawrous et. al.)
Una volta preparato il file 3D è il momento di mandarlo in stampa: ma quali sono le tecnologie e i materiali da utilizzare? Il processo richiede la consulenza di medici e specialisti di imaging 3D o ingegneri, in ogni caso persone che comprendono le esigenze del caso. Per gli strumenti di pianificazione chirurgica si utilizzano vari tipi di tecnologie di stampa 3D.
Adam Wentworth, ex ingegnere senior della Mayo Clinic e attualmente ingegnere senior per lo sviluppo dei prodotti presso Ricoh, ha spiegato che le tecnologie di stampa 3D più utilizzate sono la modellazione a deposizione fusa (FDM), la stereolitografia (SLA) e il Material Jetting (Polyjet). In misura minore, ha detto, si utilizza anche la fusione a letto di polvere tramite laser con nylon 12 o poliuretano termoplastico.
A seconda del caso, una tecnologia potrebbe risultare più adatta di un’altra. Poiché gli strumenti di pianificazione chirurgica stampati in 3D servono a visualizzare e comprendere una specifica situazione, le caratteristiche più rilevanti che un tecnico prende in considerazione riguardano principalmente l’effetto visivo del pezzo. Questo include la possibilità di servirsi di una stampa multicolore, multimateriale e/o trasparente. Il team può inoltre valutare se il modello possa essere apribile, permettendo di osservarne l’anatomia interna. Un altro aspetto fondamentale è la texture del pezzo, ovvero se debba riprodurre la sensazione di un tessuto anatomico reale.
Di seguito, si osservi la differenza tra una TAC, un’immagine piatta con sfumature di grigio, e un dispositivo stampato in 3D: un oggetto con colori ad alto contrasto e caratteristiche tangibili. È molto più facile capire cosa sta succedendo con una stampa 3D rispetto a una scansione, che non è altrettanto comprensibile per chi non ha una formazione medica.
A sinistra, una TAC dell’addome e del bacino (Crediti fotografici: Mikael Häggström, M.D.) e a destra, un modello 3D creato per un paziente del Children’s Nebraska con un tumore addominale complesso. (Crediti fotografici: Julia Steiner)
Diverse aziende, come Formlabs, EOS, Lithoz e Raise3D, producono stampanti 3D per applicazioni mediche. Stratasys è un’altra azienda che si è fatta conoscere come produttore di stampanti 3D per il settore medicale e guardando le soluzioni mediche dell’azienda possiamo avere un’idea delle caratteristiche desiderate per la produzione additiva nel settore sanitario.
La J5 MediJet, pubblicizzata come stampante 3D medicale all-in-one, e la serie di stampanti Digital Anatomy possono servirsi di materiali sterilizzabili, fondamentale in chirurgia. Inoltre, possono stampare materiali che reagiscono alla forza nello stesso modo dei tessuti o delle ossa umane. Questo è utile per le simulazioni, in modo che quando vengono manipolati imitino le sensazioni che possono essere provate in sala operatoria. Inoltre, le stampanti Stratasys possono realizzare stampe con materiali biocompatibili, utili per impianti o altri oggetti a contatto con il corpo.
A sinistra, una stampa 3D realizzata con TissueMatrix di Stratasys, che, morbido e contrattile, si comporta come un organo quando viene applicata una forza. A destra, una stampa 3D realizzata con BoneMatrix di Stratasys, che crea modelli di deposito di materiale che imitano strutture ossee porose, tessuti fibrotici e legamenti. (Crediti fotografici: Stratasys)
Dopo la stampa del file, le tecniche di post-processing dipendono dalle tecnologie utilizzate e dalle esigenze del caso. Infine, una parte stampata in 3D passerà necessariamente dal briefing prima dell’operazione.
Dr. Rose ha spiegato: “All’inizio di ogni operazione viene fatto il cosiddetto briefing, che si svolge prima che il paziente entri in sala operatoria, in cui il chirurgo principale illustra il piano per il caso, le esigenze previste, le potenziali insidie per il caso… e il modello stampato in 3D è in primo piano… perché orienta tutti in sala operatoria, dall’équipe di anestesia al tecnico XRAY, alle persone che ci aiutano con gli impianti e gli strumenti. Tutti hanno una comprensione intuitiva degli obiettivi e della natura dell’intervento, molto meglio che guardare semplicemente le immagini di una TAC”.
Diversi ospedali sfruttano la tecnologia di stampa 3D, ma sono molti meno quelli che dispongono di un’unità di stampa 3D interna. Molti scelgono invece di esternalizzare gli strumenti stampati in 3D. Esistono molte aziende dedicate a fornire questo servizio, tra cui Insight Surgery e MedScan, per citarne alcune.
Rivolgersi a un fornitore esterno a volte può essere più semplice, perché dispone già delle competenze, degli strumenti e dei professionisti che operano per stampare il pezzo. Inoltre, le aziende di stampa 3D esterne potrebbero avere accesso a tecnologie che non sarebbero pratiche o sicure per un ospedale, come le macchine in grado di stampare in 3D i metalli.
Se da un lato questi fornitori di stampa 3D possono avere forti relazioni con i loro clienti, dall’altro l’utilizzo di un servizio esterno può comportare tempi di consegna più lunghi, il che significa che un ospedale potrebbe non ricevere un pezzo prima di diverse settimane. Il Dr. Rose ha spiegato questa dinamica. “Abbiamo avuto ritardi involontari a causa dei quali non abbiamo potuto utilizzare un impianto a seguito della progressione del cancro e dei tempi di consegna troppo lunghi. Le aziende hanno coperto il costo di questi imprevisti, che onestamente non erano necessari… Abbiamo una buona collaborazione con le aziende, ma cerchiamo di fare la maggior parte delle cose in ospedale, perché c’è una sinergia intrinseca nel farle con il proprio personale”.
Alcune delle stampanti 3D per fotopolimerizzazione a tino della Mayo Clinic (Crediti fotografici: Mayo Clinic)
La Mayo Clinic del Minnesota possiede una delle unità di stampa 3D in loco, dette anche point-of-care (POC), più potenti degli Stati Uniti e ha spianato la strada ad altri ospedali. Ad oggi, oltre 100 ospedali negli Stati Uniti dispongono di capacità di stampa 3D POC. Inoltre, la Veterans Health Administration (VHA) statunitense che passerà da tre stampanti 3D nel 2017 a 60 nel 2020. Questi dati evidenziano come il fenomeno sia in crescita. Secondo Precedence Research, le dimensioni del mercato globale dei modelli chirurgici stampati in 3D dovrebbero raggiungere circa 2.841,23 milioni di dollari entro il 2034, con un tasso di crescita del 15,02% nel periodo di previsione dal 2024 al 2034.
Il vantaggio più significativo che questi strumenti di pianificazione chirurgica apportano è che possono ridurre i tempi di intervento e migliorare i risultati chirurgici. Uno studio sistematico pubblicato da BioMedical Engineering OnLine, che ha analizzato 227 articoli di chirurgia, ha rilevato che l’82% degli studi sulla stampa 3D e la pianificazione preoperatoria ha evidenziato risultati chirurgici migliori quando i modelli stampati in 3D sono stati utilizzati al posto della pianificazione preoperatoria standard, e oltre il 50% degli studi presentati hanno evidenziato anche una riduzione generale della durata dell’operazione.
Lo studio è stato pubblicato nel 2016, ma la stampa 3D continua a dimostrare risultati simili, se non addirittura migliori. Ryan Cameron, vicepresidente per la tecnologia e l’innovazione del Children’s Nebraska, ha dichiarato che grazie alla tecnologia 3D “vediamo costantemente una riduzione dei tempi chirurgici tra il 20 e il 50%… Per noi è normale”.
E avere operazioni più veloci non significa solo risparmiare tempo: significa anche che il paziente può trascorrere meno tempo in anestesia, avere meno perdite di sangue intraoperatorie e ridurre la necessità di fluoroscopia intraoperatoria. Inoltre, poiché la stampa 3D aiuta i chirurghi a raggiungere una maggiore accuratezza e precisione, questi strumenti, in alcuni casi, possono ridurre la necessità di più interventi. Come spiega Linke, la simulazione dell’intervento con la stampa 3D richiede più tempo, “ma può limitare il potenziale di operazioni ripetute, perché in sala operatoria avevamo un piano chirurgico migliore”.
Phantom toracico specifico per il paziente creato dal Children’s Nebraska per la simulazione e l’addestramento all’intervento e all’approccio per una coartazione dell’aorta. (Crediti fotografici: Julia Steiner)
Prima dell’intervento, questi strumenti 3D possono essere utili anche ai pazienti e alle loro famiglie. Secondo il Dr. Rose, mostrando loro i modelli 3D, “possiamo permettere loro di essere un partner attivo e di decidere: “Questo intervento è la cosa giusta per me?’”.
Il dottor Rose è più tranquillo sapendo che il paziente ha una migliore comprensione dell’intervento. “Sono cose incredibilmente difficili che i pazienti e le loro famiglie affrontano”, ha detto riferendosi ai suoi pazienti oncologici. “E la possibilità di guardare un modello che possono tenere tra le mani li aiuta a capire meglio la natura dell’operazione al tumore”.
In sostanza, questi strumenti 3D danno chiarezza alle persone. Che si tratti di uno studente che si esercita su una simulazione, di un chirurgo che rivede un piano operatorio o di un paziente che comprende la propria situazione, gli strumenti forniscono un quadro più chiaro degli scenari medici, migliorando al contempo i risultati chirurgici.
Non sorprende che una delle sfide che accompagnano gli strumenti chirurgici stampati in 3D sia il costo. Wentworth ha parlato delle attuali limitazioni: “Alcune tecnologie AM richiedono ancora tecnici molto esperti per funzionare e mantenerle per un uso affidabile”, ha affermato. “Come campo che è nelle prime fasi di utilizzo dell’AM, i costi di installazione con attrezzature industriali, strutture e costi di gestione di materiali di consumo, software e stipendi possono essere proibitivi con un ritorno sull’investimento sconosciuto. Gli uffici di assistenza possono fornire un accesso immediato con un processo convalidato in strutture certificate ISO con rendimenti e logistica leggermente meno favorevoli fino alla costruzione di un centro di assistenza”.
Tuttavia, le attuali sfide della creazione di strumenti di pianificazione chirurgica stampati in 3D cambieranno man mano che la tecnologia continuerà ad avanzare e verrà adottata maggiormente. Linke, che ha avviato il laboratorio di stampa 3D presso il Children’s Nebraska, ha spiegato inizialmente il loro ospedale non aveva una barriera elevata all’ingresso a causa dell supporto finanziario, “semplicemente non possiamo assumere e formare abbastanza persone abbastanza velocemente per stare al passo con la domanda”. Ora, l’ospedale è pronto per una crescita esponenziale.
Man mano che l’infrastruttura per la stampa 3D negli ospedali migliora, anche la tecnologia avanza. L’intelligenza artificiale sta già giocando un ruolo nelle tecnologie di segmentazione. Sebbene non cerchino delle tecnologie di automazione, Cameron ha detto che, a volte, “non c’è davvero un’opzione per rimuovere l’IA”, perché la tecnologia è automaticamente integrata in determinati software.
Il processo di segmentazione dell’immagine del cuore con artefatti luminosi come risultato di impianto metallico e calcificazione arteriosa. La parte b mostra la segmentazione automatica, che è diminuita dagli artefatti. La parte b mostra come è stata utilizzata la segmentazione manuale per isolare l’area di interesse. (Crediti fotografici: Segaran et. al)
Tuttavia, ciò non significa che stiano lasciando che l’intelligenza artificiale prenda completamente le redini. Cameron ha spiegato: “Qualsiasi decisione presa autonomamente al di fuori della competenza di un medico o di un assistente non è qualcosa che ci interessa davvero”. Invece, si concentrano sui sistemi di supporto alle decisioni, sistemi che possono aiutarli a essere più efficienti, ma mai a prendere una decisione. “Siamo molto cauti e scrupolosi nei confronti dei prodotti di intelligenza artificiale che promettono autonomia software e abbiamo intenzionalmente evitato quello spazio”, ha aggiunto Cameron.
Oltre ai miglioramenti software, la tecnologia di stampa ha dimostrato di progredire continuamente, con le stampanti che ottengono stampe multi-materiale più realistiche, più velocemente e con più precisione che mai. Come ha affermato Wentworth, “Un numero maggiore di applicazioni raggiungerà fasi successive di maturità che giustificano investimenti a causa del loro impatto pubblico e comprovato. La mia visione è che queste iniziative attualmente isolate prospereranno e ispireranno altri a perseguire ciò che è possibile, anche se in pratica, il rimborso sarà probabilmente ciò che guiderà l’adozione”.
In effetti, il costo avrà un ruolo importante nel determinare come gli ospedali sfrutteranno la tecnologia. Ogni istituzione avrà un aspetto diverso, ma per il Children’s Nebraska, il progresso della stampa 3D è per lo più pagato dall’ospedale, che può permetterselo solo grazie al supporto della comunità. “I benefici superano decisamente i costi”, ha affermato Cameron.
Con tutti questi progressi, l’uso di strumenti stampati in 3D per la pianificazione chirurgica è destinato a diventare una parte essenziale dell’assistenza sanitaria moderna. La tecnologia c’è e migliora ogni giorno: è solo questione di trovare le persone e i finanziamenti per massimizzare l’impatto e garantire la migliore assistenza.
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*Crediti per la foto di copertina: Stratasys
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