Come la stampa 3D supporta la chirurgia degli aneurismi cerebrali

Negli ultimi anni, i progressi nella tecnologia intravascolare hanno contribuito a ridurre la necessità di interventi chirurgici per il trattamento degli aneurismi cerebrali. Oggi la maggior parte dei casi a bassa complessità viene trattata con tecniche intravascolari minimamente invasive. Per i casi più complessi e gravi, in cui la chirurgia intracranica è assolutamente necessaria, la stampa 3D è stata adottata come strumento di guida e pianificazione intraoperatoria per ridurre i rischi e migliorare gli esiti. Il Dott. Sahin Hanalioglu del Dipartimento di Neurochirurgia dell'Università di Hacettepe è uno dei chirurghi leader in questo settore. Insieme dal Prof. Dott. İlkan Tatar del Dipartimento di Anatomia dell'Università di Hacettepe, è un pioniere nell'utilizzo di modelli per la chirurgia cranica stampati in 3D. Grazie alla consolidata esperienza in questo ambito, il team di ricerca e sviluppo di applicazioni mediche avanzate di TraBTech è stato coinvolto dai chirurghi nei processi di modellazione e pianificazione anatomica e stampa 3D per numerosi pazienti con aneurismi cerebrali di dimensioni considerevoli.

Problema: nel caso riportato di seguito, il paziente mostra un aneurisma cerebrale considerevole. Un aneurisma è una malformazione vascolare, ovvero un rigonfiamento in un vaso sanguigno causato da debolezza della parete del vaso stesso. Quando si rompe, l'aneurisma può causare un'emorragia. Inoltre, se un aneurisma si trombizza, cioè se i coaguli di sangue bloccano le vene o le arterie, può causare un'embolia.

Soluzione: escludere questo aneurisma dalla normale circolazione cerebrale. Gli aneurismi sono normalmente localizzati in profondità nel cervello: per raggiungerli è necessario ricorrere a tecniche microchirurgiche per separare accuratamente le fessure e i corridoi naturali, applicando una dissezione circonferenziale. Infine, l'aneurisma viene escluso dalla circolazione mediante clip chirurgiche e la ferita viene chiusa. Questa procedura è chiamata clipping.

Metodo convenzionale a confronto con la stampa 3D: tradizionalmente, i chirurghi cerebrali utilizzano immagini TC o RM, insieme alle proprie conoscenze anatomiche, per immaginare l'aneurisma in un contesto tridimensionale. Ora, con la tecnologia di stampa 3D e la simulazione 3D, possono facilmente vedere l'anatomia reale sia sullo schermo (visore per realtà virtuale 3D) che su un modello stampato in 3D.

La tecnologia di simulazione visiva 3D ha fatto incredibili progressi negli ultimi anni, ma per molti chirurghi l'approccio fisico e la pratica su un modello personalizzato possono avere un impatto positivo ancora maggiore sugli esiti. I modelli multistrato, segmentati e completamente integrati di TraBTech possono essere utili per le craniotomie, nelle quali i chirurghi devono perforare il cranio e rimuoverne una porzione per creare una finestra chirurgica, senza però danneggiare il tessuto sottostante.

Questo modello unico non solo permette di visualizzare l'aneurisma, ma permette di simulare l'intervento. I chirurghi hanno la possibilità di esercitarsi e di applicare diversi approcci per trattare la patologia prima della procedura effettiva. Ciò consente loro di comprendere i vantaggi e gli svantaggi di determinate tecniche chirurgiche e di analizzarne gli ostacoli.

L'uso di modelli stampati in 3D aiuta ad acquisire sicurezza prima di una procedura complessa. "Non ci saranno sorprese durante l'intervento, perché ci si può esercitare su tutti gli aspetti prima dell'operazione. Questo è fondamentale per il mio modo di lavorare, ma anche per quello di molti altri chirurghi con cui mi confronto", ha affermato Hanalioglu.

Tra gli altri vantaggi della stampa 3D, vi è quello di poter usare i modelli 3D anche per la formazione di studenti laureati e dottorati, nonché per la comunicazione con i pazienti. Esistono diverse modalità radiologiche per ottenere modelli con un elevato livello di dettaglio, ad esempio l'angiografia a risonanza magnetica, la venografia a risonanza magnetica e la tomografia volumetrica tridimensionale. Tuttavia, ogni modalità è in grado di visualizzare una o due specifiche strutture tissutali interne del cervello, come le strutture diencefaliche o le strutture ventricolari. Il problema è che, in presenza di una patologia come un tumore, le strutture cerebrali cambiano o si spostano. "Pertanto, dobbiamo visualizzare e ricostruire la nuova forma del tessuto normale a seconda del tipo di patologia. I modelli sono completamente personalizzati sulla base delle malattie o patologie del paziente", ha dichiarato Hanalioglu.

Hanalioglu ha confessato che "a volte, in un intervento chirurgico complesso, solo il chirurgo cranico può essere pienamente consapevole di dove si trovano i problemi. Adesso, con i modelli stampati in 3D, chiunque può partecipare all'operazione con cognizione di causa, anche gli specializzandi. Ciò facilita la guida intraoperatoria".

Ha proseguito dicendo che "questi strumenti ci aiuteranno a preparare e provare l'intervento. Avere a disposizione un modello stampato in 3D è molto utile per la formazione degli studenti di medicina, degli specializzandi e dei giovani neurochirurghi".

Come creare modelli 3D: TraBTech ha utilizzato il software Materialise (Mimics) per la segmentazione dei modelli. Un ingegnere biomedico utilizza questo software per importare tutti i file DICOM acquisiti tramite diverse modalità. Il processo di segmentazione, modellazione e simulazione sarà eseguito mediante le funzioni del software e il file finale sarà esportato in formato STL o OBJ. Il chirurgo può essere coinvolto nel processo per aiutare a definire la patologia e mettere a punto il file digitale finale da stampare. Ad esempio, grazie alla propria esperienza, può contribuire a identificare un'interferenza tra due vasi in un modello. Nonostante l'alta risoluzione delle tecniche di imaging, un secondo parere è prezioso per sistemi così complessi.

Prospettiva del paziente: un paziente di 55 anni che presentava crisi epilettiche sospette è stato inizialmente visitato e valutato con imaging cerebrale tramite TC e risonanza magnetica. L'imaging cerebrale ha rivelato una massa di 1,5 cm nella fessura silviana sinistra, tra il lobo frontale e temporale del cervello. La prima ipotesi è stata un tumore di grandi dimensioni o un possibile aneurisma. Dopo un'ulteriore analisi di imaging, è stato confermato che si trattava di un aneurisma gigante trombizzato più grande di 2 cm. Quando si trova un trombo all'interno di un aneurisma, i trombi piccoli e spessi possono spostarsi verso le arterie distali, bloccandole. Queste ostruzioni interrompono il flusso sanguigno verso parti importanti del cervello, causando ictus.

Dopo aver usato i modelli digitali creati con tecniche di imaging avanzate come TC, risonanza magnetica, angiografia a risonanza magnetica e angiografia a sottrazione digitale rotazionale 3D e averne discusso col paziente, l'équipe medica ha preso in considerazione l'opzione di un intervento chirurgico. In situazioni acute simili, che richiedono di agire con urgenza, l'uso di un modello 3D può aiutare il chirurgo a visualizzare l'anatomia e a esercitarsi, nonché a rassicurare il paziente illustrando la procedura. 

Come si può vedere nella simulazione digitale, è possibile modificare il colore, gli angoli e le posizioni del modello digitale e simulare l'intervento chirurgico finale. L'immagine mostra la complessa relazione dei prismi centrali con i vasi sottostanti. Il modello consente ai chirurghi di vedere la relazione dei rami principali sotto il cervello e il clipping simulato prima dell'intervento in modo che, durante la preparazione in vista dell'operazione, le informazioni visive siano facilmente accessibili e garantiscano procedure più efficienti.

Sfide e considerazioni: un aspetto negativo dell'utilizzo della stampa 3D è il tempo necessario per la creazione delle parti. Hanalioglu ha affermato di aver bisogno di più di uno o due giorni per preparare e stampare completamente i modelli. Nei casi urgenti, potrebbe non avere questo tempo a disposizione.

I chirurghi devono anche assicurarsi di avere l'attrezzatura giusta, che comprende uno scanner ad alta risoluzione e una stampante 3D di qualità.

Secondo Hanalioglu, le caratteristiche principali da valutare quando prende in considerazione una stampante 3D sono:

• La capacità di stampare in materiali sia duri che morbidi, perché i modelli comprendono sia il cranio che le arterie.
• La risoluzione delle parti, un elemento importante per simulare l'operazione il più fedelmente possibile.
• I costi per parte, che devono essere ragionevoli.

Stampa 3D, cadaveri e pianificazione chirurgica: la maggior parte dei medici considera i modelli stampati in 3D come strumento complementare, non come sostitutivo dei cadaveri. Tuttavia, gli studi basati esclusivamente su cadaveri presentano delle limitazioni, ecco perché le istituzioni utilizzano sempre più spesso modelli stampati in 3D per colmare le lacune di conoscenza nel rispetto del proprio budget. 

Se il gruppo di specializzazione è composto da molti studenti, i professori non possono insegnare individualmente a ogni singolo studente utilizzando cadaveri. "I cadaveri possono essere usati per le nozioni di base, poi le esercitazioni più dettagliate della procedura possono essere realizzate con modelli fisici stampati in 3D. Naturalmente, è possibile adattare i dettagli del modello stampato in 3D a seconda del livello di conoscenze. Per esempio, colorare le varie parti del modello può essere utile per gli studenti dei primi anni", ha affermato Hanalioglu.

L'utilizzo congiunto di modelli stampati in 3D e cadaveri offre il massimo valore alla formazione medica.

L'aspetto positivo di un modello stampato in 3D è che il cervello è trasparente e l'aneurisma e i vasi sotto il lobo temporale e frontale sono facilmente visibili. L'importanza del modello fisico rispetto ai modelli digitali è evidente quando i chirurghi non hanno l'esperienza sufficiente per gestire l'intervento. Il modello stampato in 3D può aiutare i chirurghi con meno esperienza a standardizzare la posizione dell'aneurisma e la craniotomia.

Sebbene i modelli digitali 3D consentano di regolare e segmentare virtualmente, ad esempio cambiando la posizione, manca il feedback tattile. Con un modello stampato in 3D, i chirurghi possono guardare il cervello da diverse angolazioni cambiando la propria posizione. Tuttavia, ogni taglio o danno non può essere ripristinato.

Materiali utilizzati per i modelli stampati in 3D: in questo modello stampato in 3D, i vasi cerebrali, i tessuti e l'anatomia del cranio sono stati acquisiti tramite imaging; è stata utilizzata la Durable Resin per stampare i modelli ossei e l'Elastic 50A Resin per stampare i tessuti e i vasi cerebrali. I modelli sono stati stampati sulla Form 3, che è stata recentemente sostituita dalla Form 3B+.

Hanalioglu ha utilizzato l'Elastic 50A Resin per le sue proprietà elastomeriche: la sua capacità di imitare il tessuto arterioso è utile per una pratica accurata. Sostiene che negli ultimi anni "sono stati apportati miglioramenti ai materiali, che sembrano molto più simili alle arterie. Vi è ancora margine di perfezionamento, ma comunque la sensazione tattile è decisamente migliorata".

Infine, Hanalioglu fa fatto dipingere i suoi modelli di arterie stampati per facilitare l'identificazione delle varie parti. La possibilità di essere dipinto rappresenta un altro vantaggio dei materiali morbidi come la Elastic 50A Resin.