L'esperienza dell'Ospedale Universitario La Paz con la stampa 3D
L’Ospedale Universitario La Paz nasce più di 50 anni fa come centro di riferimento nazionale per la Spagna in diverse specialità mediche e chirurgiche. La promozione della ricerca e della didattica hanno contraddistinto il suo operato nel corso degli anni, sempre al servizio del paziente e alla ricerca dell’eccellenza sanitaria. Grazie al contributo di professionisti come quelli del caso di studio che stiamo per condividere, l’Hospital Universitario La Paz si posiziona come uno dei migliori ospedali della Spagna.
Nel 2022, nella sua costante ricerca di eccellenza e innovazione, l’Ospedale La Paz si è rivolto a 3DZ per valutare le possibilità delle diverse tecnologie 3D nello sviluppo di modelli per la chirurgia ricostruttiva.
La sfida: elaborare un protocollo per realizzare modelli personalizzati stampati in 3D e sterilizzabili per la ricostruzione autogena dell'orecchio
La ricostruzione auricolare nei pazienti con microtia è una sfida costante per il chirurgo ed è considerata una delle procedure tecnicamente più difficili e impegnative.
Fin dagli anni ’20 la principale opzione ricostruttiva è stata quella di utilizzare la cartilagine costale. Tuttavia, a causa dell’anatomia estremamente complessa e unica dell’orecchio, questa procedura richiede una notevole curva di apprendimento, che dipende in larga misura dall’abilità manuale e tecnica del chirurgo.
Tradizionalmente, si utilizza una sagoma di pellicola radiografica 2D, presa dall’orecchio controlaterale. La difficoltà principale consiste nel trasferire le caratteristiche tridimensionali degli elementi anatomici dell’orecchio (spessore, altezza, profondità, rilievo).
La sfida è stata quella di trovare un modello 3D dell’orecchio controlaterale che potesse essere preso rapidamente, dato che spesso si tratta di bambini, che sono mobili o non collaborativi.
Medico nel reparto di Chirurgia orale e maxillo-facciale dell'Ospedale Universitario La Paz
Dr. Juan Pablo Rodríguez-Arias:
“Per anni abbiamo preso i modelli dell’orecchio controlaterale dei pazienti con un calco in gesso, ma questi non potevano essere sterilizzati o utilizzati come guida in sala operatoria. Inoltre, ottenere questo modello è molto ingombrante e scomodo per i bambini“, spiega il dottor Rodríguez Arias, che insieme alla dottoressa Mercedes Martín, alla dottoressa Elena Gómez e al dottor Jesús Manuel Muñoz, compone il reparto di Chirurgia Maxillo-Facciale Infantile diretto dal dottor José Luis Cebrián. “In altri ospedali stavano iniziando a utilizzare il modello TAC dell’orecchio controlaterale, ma noi volevamo evitare le radiazioni. D’altra parte, pensavamo che avere a disposizione i modelli 3D dei pezzi che poi avremmo lavorato per ricostruire l’orecchio, e non l’orecchio intero, avrebbe facilitato ulteriormente l’intervento”.
Così, all’inizio del 2022, il reparto di Chirurgia Maxillo-Facciale ha contattato 3DZ per acquistare uno scanner 3D.
Gli obiettivi
1
Ottenere forma e dettagli esatti dell'orecchio in modo rapido e preciso.
2
Ottenere modelli segmentati e sterilizzabili dell'orecchio.
3
Aumentare il benessere del paziente, solitamente bambini che si muovono e non collaborano.
4
Non aggiungere comorbidità o radiazioni nella fase di pre-intervento.
5
Facilitare il lavoro del chirurgo riducendo i tempi dell'intervento.
La soluzione
Il ruolo di Alessandro Gutierrez Venturini, ingegnere del Laboratorio di Gestione 3D dell’ospedale, è particolarmente rilevante in questo caso. Sulla base di una stretta comunicazione tra chirurgo e ingegnere, il servizio di Chirurgia Maxillo-Facciale e il Laboratorio 3D hanno sviluppato un protocollo per l’acquisizione, l’elaborazione e la segmentazione digitale delle immagini dell’orecchio per ottenere i modelli di orecchio desiderati.
“Va notato che questo protocollo è tecnicamente impegnativo, richiede competenze nella progettazione 3D e quindi anche una notevole curva di apprendimento, soprattutto nella fase di pianificazione pre-operatoria. Riteniamo essenziale che in questa fase ingegnere e chirurgo lavorino insieme per contribuire con la propria visione ed esperienza sia dal punto di vista tecnico che clinico”, afferma Alessandro Gutiérrez prima di illustrare il processo.
Dopo la consulenza con 3DZ, l’ospedale ha acquistato uno scanner 3D Artec Eva e ha seguito anche la formazioneda parte del personale tecnico altamente qualificato di 3DZ, per imparare ad ottenere il massimo dall’uso delle apparecchiature acquistate.
1 - Scansione della superficie auricolare con Artec EVA
La prima fase del protocollo consiste nell’acquisizione di immagini dell’orecchio sano del paziente. In questo caso si tratta di un maschio di 8 anni con microtia lobare sul lato destro. È necessaria un’elevata precisione per catturare le caratteristiche dettagliate della struttura auricolare, essenziale per una ricostruzione di successo.
In questo caso è stato utilizzato lo scanner 3D a luce strutturata Artec Eva, che consente di acquisire superfici con una risoluzione 3D fino a 0,2 mm, a una velocità di ricostruzione di 16 fps, salvando anche la texture del modello. Il tempo medio di acquisizione delle immagini in questo caso è stato di 65 secondi.
I dati della nuvola di punti ottenuti sono stati elaborati con il software nativo Artec Studio 16 Professional. Dopo un processo di scarto, registrazione, analisi, allineamento e rimozione del rumore, è stata eseguita una fusione di tutti i fotogrammi in un’unica mesh.
Nell’immagine (a) vediamo i primi dati acquisiti dalla nuvola di punti prima della post-elaborazione; in (b) la ricostruzione finale del modello digitale 3D dopo la post-elaborazione.
Per la fase successiva, la mesh ottenuta è stata esportata come file STL.
2 - Preparazione dei modelli digitali
Tra le varie fasi, la mesh esportata è stata elaborata con il software di modellazione per progettare i nuovi componenti dell’orecchio del paziente.
I modelli mostrati nell’immagine sono stati esportati in formato STL per la fase di stampa 3D:
(a) orecchio sano raffinato e specchiato; (b) segmentazione dell’elice (blu), dell’antielice (viola) e del trago (marrone); (c) parti anatomiche scolpite; (d) modello della struttura di base.
Questa è la modellazione dell’orecchio e delle parti anatomiche per la pianificazione chirurgica.
3 - Stampa dei modelli 3D
I modelli digitali sono stati stampati con una stampante 3D Formlabs a stereolitografia (SLA). Il materiale utilizzato è la resina Surgical Guide (Formlabs) con una risoluzione di stampa di 0,1 mm.
Nella foto, i modelli stampati in 3D dell’orecchio (a sinistra) e delle diverse parti anatomiche (a destra).
Dopo la stampa, i modelli sono stati staccati dalla piattaforma di costruzione e lavati per 20 minuti in un Form Wash (Formlabs) con alcol isopropilico al 99% per pulire le parti e rimuovere la resina liquida. Sono stati poi post-curati a 60 °C per 30 minuti in Form Cure (Formlabs) per ottenere biocompatibilità e proprietà meccaniche ottimali.
Infine, i modelli sono stati sterilizzati e utilizzati in sala operatoria.
4 - Produzione di strutture
Le dimensioni del padiglione normale e il tipo di microtia determinano il numero di frammenti di cartilagine da rimuovere.
Grazie a questi modelli 3D, sono stati mantenuti diversi frammenti di cartilagine che sono stati riposizionati nella tasca costale in modo da poter essere utilizzati come Firmin P1 nella seconda fase dell’intervento.
RISULTATI
Grazie ai modelli 3D sterilizzati e specifici per il paziente, il chirurgo ha potuto controllare gli innesti, ruotarli e analizzarne la forma e il rilievo. La pianificazione pre-operatoria dell’intervento durante l’elaborazione digitale con l’ingegnere del Laboratorio di Gestione 3D ha permesso di risparmiare tempo chirurgico e quantitativi di cartilagine, senza perdere l’elemento estetico proprio di questo tipo di intervento.
Vantaggi chiave dell'utilizzo delle tecnologie 3D nella chirurgia ricostruttiva
La precisione dei modelli 3D stampati in resina biomedica facilita la manipolazione in sicurezza e senza timore di contaminazione del materiale biologico. “Avere i modelli sterili sul tavolo operatorio è un fattore determinante, in quanto ci permette di confrontare direttamente 1 a 1, pezzo per pezzo, i particolari delle costole che compongono la nostra ricostruzione auricolare”, afferma il Dr. Rodríguez Arias.
Questo abbrevia notevolmente i tempi chirurgici, a vantaggio sia del paziente che dell’équipe medica. Un minor tempo in sala operatoria riduce il rischio di complicazioni e migliora il recupero del paziente, con conseguente risparmio economico.
Utilizzando modelli 3D precisi, viene rimossa solo la quantità di cartilagine necessaria per l’intervento, evitando l’asportazione non necessaria che si verificava con il metodo bidimensionale. “Questo non solo riduce il dolore postoperatorio per il bambino, ma riduce anche i tempi di recupero e il rischio di complicazioni come il pneumotorace”, afferma Rodríguez-Arias. Inoltre, il nostro protocollo consente la ricostruzione di qualsiasi tipologia di microtia, totale o parziale, ottimizzando ulteriormente la rimozione della cartilagine costale”.
La produzione del modello in resina biomedica offre un ambiente di lavoro più sicuro e sterile. “È molto comodo manipolare sia i modelli che le cartilagini sullo stesso tavolo operatorio, senza dover cambiare i guanti…, senza temere la contaminazione del campo”.
È stato dimostrato che i modelli tridimensionali riducono i tempi di intervento, con un risparmio di risorse ospedaliere che compensa il costo della stampante e del tipo di scanner scelto. “La riduzione del tempo chirurgico è un grande risparmio, poiché si stima che il costo per minuto in sala operatoria vari tra i 30 e i 50 euro. Anche se non abbiamo completato lo studio, stimiamo di aver ridotto il tempo chirurgico di un’ora“, afferma il dottor Rodríguez-Arias.
Il futuro
“Vogliamo continuare a ottimizzare il nostro protocollo, oltre che applicarlo e perfezionarlo in altri interventi in un’area delicata come quella maxillo-facciale, di grande complessità tridimensionale e con componenti e richieste sia estetiche che funzionali (…) Stiamo anche conducendo degli studi per valutare l’uso delle tecnologie 3D nel follow-up post-operatorio nella chirurgia della craniosinostosi”. ) Abbiamo inoltre degli studi in corso per valutare l’uso di tecnologie 3D nel follow-up post-operatorio nella chirurgia della craniosinostosi, che portiamo avanti insieme al Dipartimento di Neurochirurgia Infantile e poter ottimizzare la nostra tecnica chirurgica sulla base di questi risultati”, conclude il dottor Juan Pablo Rodríguez-Arias.
3DZ, un partner esperto
3DZ è distributore dei migliori marchi di stampa e scansione 3D con oltre un decennio di esperienza. Aiutiamo le aziende a scegliere la migliore tecnologia 3D per le loro esigenze specifiche.
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