Foto: Università di Basilea, Christian Flierl
Grazie al lavoro delle équipe specialistiche, che trovano sempre nuovi modi di applicare la produzione additiva nella loro pratica quotidiana, e alla maggiore accessibilità di materiali biocompatibili e stampanti di alta qualità sul mercato, l'uso della stampa 3D nel settore medico-chirurgico si sta diffondendo rapidamente.
Il dott. Florian Thieringer, professore e direttore del Dipartimento di Chirurgia orale e cranio-maxillofacciale presso l'Ospedale Universitario di Basilea, Svizzera, sfrutta i vantaggi della tecnologia di stampa 3D nei suoi casi di chirurgia.
In qualità di direttore del gruppo di ricerca Medical Additive Manufacturing (Swiss MAM) e cofondatore del laboratorio 3D Print Lab presente nel campus dell'ospedale, lavora ogni giorno con il suo team per aumentare l'accessibilità alle innovazioni mediche tramite la pianificazione chirurgica virtuale (VSP) e la stampa 3D, offrendo formazione e strutture all'avanguardia agli studenti e pubblicando i risultati delle ricerche svolte.
Nel nostro webinar, Thieringer ha parlato dell'evoluzione di VSP e stampa 3D nel settore medico negli ultimi decenni e illustrato un tipico workflow digitale con esempi concreti di casi di chirurgia comuni, in cui utilizza la stampa 3D per la creazione di modelli, dime chirurgiche per impianti e molto altro.
La rivoluzione digitale nel settore medico
L'evoluzione della stampa 3D in ambito chirurgico è iniziata tempo fa con l'introduzione della tomografia computerizzata (TC), che ha permesso la creazione di modelli digitali tridimensionali di tessuti e organi. Ma per poter utilizzare i dati radiologici ottenuti dalle scansioni anche in sala operatoria, oltre che per fini diagnostici o di pianificazione dei trattamenti, era necessario trovare un modo per realizzare riproduzioni anatomiche tattili.
Grazie ai suoi continui progressi, la stampa 3D si è rapidamente affermata come tecnologia di riferimento per la produzione di modelli anatomici personalizzati. I primi modelli realizzati da scansioni digitali sono stati creati con metodi di produzione sottrattiva, come la fresatura di blocchi di schiuma. Tuttavia, presentavano molte limitazioni in termini di libertà di progettazione, precisione, tempi e costi.
La stampa 3D stereolitografica (SLA) e a sinterizzazione laser selettiva (SLS) permette ai team di ingegneria clinica di produrre modelli anatomici per casi di chirurgia complessi in breve tempo. Le stampanti 3D si sono fortemente evolute negli ultimi 20 anni, ottenendo grande popolarità in vari ambiti medici, specialmente in odontoiatria, ortopedia e nelle procedure cranio-maxillofacciali.
Se 20 anni fa questi modelli dovevano essere esternalizzati, procedura che comportava un costo di migliaia di euro e svariate settimane di attesa, oggi sempre più centri possiedono laboratori di stampa in-house, come nel caso dell'Ospedale Universitario di Basilea. Con queste attrezzature a portata di mano, un modello di cranio di grandi dimensioni può essere stampato in giornata per meno di 50 €.
"Il nostro obiettivo è ottimizzare la tecnologia di stampa 3D al punto di assistenza, in modo da poter facilitare e migliorare gli interventi medici e renderla più accessibile per l'uso quotidiano."
Florian M. Thieringer
Con questa stessa missione, Formlabs è sempre in prima linea nello sviluppo di nuovi materiali di stampa 3D per il settore medico, con l'obiettivo di ottenere specifiche proprietà meccaniche e di biocompatibilità per applicazioni come quelle a cui lavora Thieringer.
La stampa 3D di modelli anatomici su misura prima degli interventi permette a Thieringer di formulare piani più specifici per le procedure chirurgiche e creare guide di foratura e taglio adatte all'anatomia di ogni paziente, ma anche impianti preformati. I chirurghi hanno inoltre l'ulteriore vantaggio di poter utilizzare strumenti stampati in 3D progettati appositamente in base al loro approccio chirurgico. Per questo, alcuni materiali stampati in 3D possono essere sterilizzati per l'uso in sala operatoria.
Impianto inserito in un modello anatomico stampato in 3D. Foto: Università di Basilea, Christian Flierl
Introduzione alla stampa 3D in medicina
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Workflow di stampa 3D nella chirurgia cranio-maxillofacciale
Nel campo della chirurgia ricostruttiva cranio-maxillofacciale, la chirurgia ortognatica e l'implantologia dentale sono le specializzazioni che più di tutte traggono vantaggio dai processi di produzione additiva.
Elenco di interventi chirurgici eseguiti con l'ausilio della stampa 3D, basato sulla revisione sistematica di 75 studi pubblicati tra gennaio 2018 e dicembre 2020. Fonte: ScienceDirect
In generale, il workflow di queste procedure inizia con una TC eseguita dal personale di radiologia e prosegue con un processo di segmentazione eseguito da ingegneri clinici. Nella seconda fase, il team chirurgico riceve una ricostruzione tridimensionale dei dati anatomici ottenuti dalla TC. I dati possono anche essere combinati con le informazioni ottenute da scansioni superficiali intraorali o della cute del paziente, a seconda dell'intervento programmato. Questo modello digitale può quindi essere operato virtualmente in preparazione di un intervento reale o, in alternativa, stampato in 3D per progettare impianti su misura per i pazienti e creare dime chirurgiche.
"In molti casi la stampa 3D può agevolare il trattamento dei pazienti. Dai modelli anatomici per impianti su misura per pazienti agli strumenti personalizzati, fino alle guide di foratura e taglio, la stampa 3D può essere molto vantaggiosa nella chirurgia cranio-maxillofacciale."
Florian M. Thieringer
Ricostruzione del pavimento orbitale
"Prendiamo come esempio una paziente con frattura del pavimento orbitale. La frattura le impedisce di muovere correttamente il bulbo oculare e questo provoca una diplopia, ovvero una visione doppia", spiega Thieringer.
Il trattamento di una frattura del pavimento orbitale prevede generalmente l'inserimento di un impianto in titanio all'interno dell'orbita per sostituire o tenere unite le parti fratturate dell'osso.
"Non esistono impianti in titanio con una forma perfetta. Per affrontare il problema, stiamo tuttora lavorando alla stampa in-house di impianti in titanio e polietere etere chetone. Come soluzione rapida, possiamo stampare un modello anatomico dell'orbita con una stampante 3D SLA. Dopodiché, usando il modello ottenuto, posso prepiegare o preformare un impianto in titanio standard per ricostruire il difetto orbitale", spiega Thieringer.
Modello anatomico stampato in 3D con all'interno un impianto in titanio su misura prepiegato
Queste guide di piegatura possono essere stampate in 3D in un laboratorio in-house nel giro di poche ore ed essere usate per quasi tutti i tipi di frattura.
La rapidità della stampa in-house delle guide 3D permette di estendere la gamma di applicazioni anche ai casi di chirurgia per traumi acuti.
"Basta avere a disposizione una stampante 3D e i giusti specialisti per ricostruire con facilità l'anatomia dei pazienti e trattare i casi di trauma nel giro di poche ore."
Florian M. Thieringer
I dati del gruppo di ricerca Swiss MAM, guidato da Thieringer, mostrano un significativo risparmio di tempo nei casi di chirurgia gestiti dal 3D Print Lab. Usando impianti su misura progettati con modelli stampati in 3D prima degli interventi è stato possibile ridurre il tempo chirurgico di più di 35 minuti. A seconda della procedura, ciò può determinare un risparmio di diverse migliaia di dollari, misurato in base al costo al minuto in sala operatoria.
Facendo riferimento all'esempio precedente (la ricostruzione di un pavimento orbitale), un costo al minuto dai 22 $ ai 133 $ determina un risparmio totale dai 1488 $ ai 3720 $ circa.
| Stampa 3D in-house | Risparmio di tempo e denaro | |
|---|---|---|
| Guida di piegatura per impianti | Da 50 $ a 100 $ | 35 minutes operating time, around $2,600 in costs |
Fonte: ScienceDirect
Come stampare modelli anatomici in 3D per la pianificazione preoperatoria e migliorare le possibilità di ottenere il consenso dei pazienti
Questo whitepaper presenta una procedura di guida rivolta ai team medici e tecnici per iniziare a stampare in 3D modelli anatomici a partire dalle scansioni dei pazienti. Inoltre, illustra le buone pratiche per configurazione di risonanze magnetiche o TC, segmentazione dei dati e conversione dei file in un formato stampabile in 3D.
Chirurgia ortognatica
All'Ospedale Universitario di Basilea, un'altra importante branca della chirurgia cranio-maxillofacciale in cui vengono implementati i workflow digitali è quella ortognatica. Anche in questo caso il processo inizia con una TC che serve a fornire i dati digitali 3D, dopodiché viene eseguita una scansione intraorale da combinare con l'anatomia della mandibola del paziente.
"Le informazioni digitali ci permettono di conoscere la posizione esatta della mandibola superiore e inferiore prima dell'intervento, quindi di stampare in 3D i bite dentali per il trattamento postoperatorio", spiega Thieringer.
"Durante alcuni studi abbiamo confrontato il workflow classico con quello digitale: ne è emerso un notevole miglioramento dei tempi di produzione."
Florian M. Thieringer
Stampa 3D per scopi formativi
"Oltre che per trattamenti e interventi, la stampa 3D è utile anche nella formazione. Ad esempio, ci consente di realizzare modelli di simulazione su cui gli studenti possono fare pratica operatoria su praticamente qualsiasi patologia", spiega Thieringer.
Il laboratorio interdisciplinare 3D Print Lab dell'Ospedale Universitario di Basilea è stato fondato nel 2015/16 in collaborazione con il Dipartimento di Radiologia e altri chirurghi cranio-maxillofacciali con l'obiettivo di offrire formazione all'avanguardia ai futuri medici e chirurghi.
La struttura permette a studenti, medici e ingegneri di condurre ricerche su impianti intelligenti, tecnologie innovative per dispositivi, tecniche chirurgiche mininvasive e numerosi altri argomenti, il tutto con la possibilità di seguire da vicino casi di chirurgia reali e applicare le tecnologie di stampa 3D.
"Il nostro obiettivo era creare un'infrastruttura aperta, dove i medici potessero discutere dei casi clinici con ingegneri clinici, medici esperti e studenti. Il laboratorio permette di eseguire processi di trattamento che non sarebbero possibili senza stampanti 3D direttamente nel punto di assistenza."
Florian M. Thieringer
Entra nel mondo della stampa 3D in ambito medico
In sintesi, i principali vantaggi della stampa 3D nella chirurgia orale e cranio-maxillofacciale illustrati da Thieringer sono:
- Maggiore precisione chirurgica grazie alla preparazione preoperatoria
- Risparmio significativo di tempo e denaro
- Procedure meno invasive
- Trattamenti su misura per i pazienti
- Maggiore sicurezza per i pazienti, minore tempo di degenza
- Meno complicanze
- Formazione pratica
"La stampa 3D è uno strumento potente che ha portato l'innovazione nel punto di assistenza."
Florian M. Thieringer
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