Dalla TAC alle repliche anatomiche
Repliche anatomiche e protesi craniche sono i nostri prodotti, frutto di una progettazione attenta lungo tutto il processo produttivo, dall'acquisizione delle immagini medicali fino alla realizzazione del manufatto.
Ci interfacciamo direttamente con radiologi, medici, chirurghi per risolvere rapidamente e con semplicità ogni problema che si possa presentare. Le indicazioni più appropriate per i nostri prodotti
sono nei campi della chirurgia ricostruttiva, della neurochirurgia,
dell'oncologia, della traumatologia, dell'ortopedia, dell'implantologia,
dell'odontoiatria, della odontostomatologia.
Applicazioni Pratiche
A partire da immagini medicali siamo in grado di progettare protesi craniche su misura e di riprodurre, con tecniche di rapid prototyping, repliche anatomiche 3D dell'anatomia di interesse utilizzate per pianificare e simulare, con gli stessi strumenti di sala operatoria, gli interventi ottenendo informazioni preziose, oppure per realizzare protesi impiantabili che si adattano con precisione, o anche come semplice strumento didattico.Siamo in grado di realizzare modelli anatomici 3D che non si limitano a riprodurre il distretto desiderato, ma presentano la ricostruzione di tessuto mancante per differenti patologie, evidenziato con colorazioni volumetriche.
Se un'immagine vale mille parole...
un modello 3D vale mille immagini!
Protesi Custom Made - Case Studies
Cranioplastica Custom Made in PMMA con utilizzo di tecniche di prototipazione rapida e CAD 3D
In collaborazione con U.O. Neurochirurgia - Ospedale di Lecco
Le operazioni di cranioplastica sono necessarie ogniqualvolta l'osso della volta cranica del paziente non garantisce più una funzione protettiva nei confronti dei tessuti molli sottostanti. Le cause possono essere eventi traumatici, patologia degenerative, riassorbimenti ossei o infezioni a seguito di riposizionamento di osso autologo.
In tali casi l'attuale tecnica chirurgica prevede diverse soluzioni tra le quali quella della modellazione manuale di una protesi in cemento osseo direttamente in sala operatoria. Limiti di tale metodica sono i considerevoli tempi d'intervento che fanno lievitare costi e rischi infettivi per il paziente, nonché le limitate proprietà meccaniche ed estetiche della protesi a causa della modellazione manuale intraoperatoria.
L'innovativo dispositivo custom made realizzato dalla collaborazione degli autori con Biosolutions è concepito per riempire il difetto osseo a partire da immagini TAC del paziente. Mediante opportuna elaborazione, grazie a software CAD 3D dedicato, è possibile ottenere il disegno tridimensionale della protesi, implementabile in differenti materiali.
Una fase sperimentale condotta su 6 pazienti ha permesso di validare con successo il progetto.
Lo studio è stato effettuato su un gruppo selezionato di 5 pazienti con followup di 6 mesi. Nella scelta del gruppo si è tenuto conto delle dimensioni del difetto osseo e in particolare si sono prese in considerazioni solo aree superiori ai 25 cm2. Infatti dimensioni inferiori non giustificano l'impianto di dispositivi su misura dal momento che tali difetti sono facilmente riparabili con le tecniche tradizionali che garantiscono soddisfacenti risultati estetici e buone proprietà protettive.
Materiali e Metodi
Nel procedimento usato per la costruzione del dispositivo si possono individuare una fase di progettazione e una fase di realizzazione.
La fase di progettazione si articola nei seguenti punti:
1. Acquisizione dei dati anatomici. Utilizzando un opportuno protocollo si acquisiscono immagini medicali CT che vengono salvate nel formato DICOM
2. Elaborazione delle immagini. I dati della diagnostica digitale vengono elaborati con un software dedicato che permette di individuare con operazioni di segmentazione le strutture ossee e di estrarre le curve che ne individuano i contorni.
3. Modello virtuale del dispositivo. Basandosi sulle curve ottenute, al fine di ottenere l'esatto accoppiamento della protesi con il cranio, si disegna un modello CAD 3D del dispositivo che viene assemblato virtualmente con il cranio del paziente e con le immagini medicali per verificarne il risultato estetico e la precisione dell'accoppiamento.
La fase di realizzazione utilizza tecniche di prototipazione rapida per realizzare i tools necessari alla creazione della protesi in PMMA.
Dopo la polimerizzazione del PMMA, gli eccessi di materiale sono rimossi dalla protesi che viene sterilizzata in ossido di etilene e quindi confezionata.
Tecnica Chirurgica
La tecnica chirurgica è estremamente semplificata: si riapre incidendo lungo il pregresso lembo cutaneo e scollando i tessuti epicranici dal piano durale facendo attenzione a non lederlo. Utilizzando il PMMA si evita volontariamente di esporre il bordo osseo per ridurre il sanguinamento al contrario di quanto
avviene se il materiale utilizzato è osso autologo o materiale osteoinducente.
A questo punto si posiziona la protesi e si verifica che calzi sul difetto. Se necessario, si possono apportare modifiche al dispositivo utilizzando le frese chirurgiche. Sul letto chirurgico così esposto, vengono individuati estemporaneamente i punti della teca e della protesi dove eseguire i fori per il fissaggio. Questo viene solitamente eseguito utilizzando seta dello 0 o placchette e viti in titanio (più recentemente con cambre in Nitinol a memoria di forma). È necessario creare dei fori centrali (Ø 4mm) sulla protesi per appendimento durale onde evitare la formazione di raccolta fluida epidurale. Si posiziona quindi un drenaggio. Lo scalpo è infine chiuso e una fasciatura compressiva è applicata per prevenire raccolta di fluido subgaleale.
Risultati
I risultati ottenuti sono ottimi: tutte le protesi si sono accoppiate con precisione con l'osso circostante senza modifiche ulteriori con un risultato estetico soddisfacente.
Conclusioni
I difetti craniali estesi possono essere trattati soddisfacentemente utilizzando polimetilmetacrilato.
Attualmente la tecnica di realizzazione dei dispositivi in PMMA prevede la manipolazione del materiale e l'ottenimento della protesi durante l'intervento chirurgico. Tale tecnica è efficace nel caso di piccoli difetti. Nel caso di grandi difetti e soprattutto in zone, quale ad esempio la regione temporale anteriore, l'utilizzo di cemento osseo direttamente in sala operatoria comporta difficoltà nel riprodurre una corretta curvatura dell'impianto. Inoltre dal momento che il sito chirurgico è coperto, c'è una mancanza di orientamento necessario per creare dei contorni precisi. Per quanto concerne il materiale, il PMMA ha il difetto di polimerizzare con una reazione esotermica con un innalzamento della temperatura oltre i 60°C che può provocare danni ai tessuti. Vi è poi la presenza di residui liberi di metilmetacrilato che possono causare dermatiti e reazioni allergiche nonché infezioni locali acute. Questi fattori, combinati con altre variabili quali i tempi chirurgici, la grandezza del difetto e la presenza di infezioni preoperatorie, possono inficiare il successo dell'intervento. Gli impianti realizzati intraoperatoriamente devono inoltre essere rimossi dal sito chirurgico prima dell'indurimento finale per minimizzare il danno ai tessuti e ciò può provocare una deformazione dell'impianto che ha effetti sulla stabilità e sull'interfacciamento.
Per eliminare questi problemi si può pensare di realizzare un dispositivo protesico su misura in PMMA prima dell'intervento secondo la tecnica precedentemente illustrata.
Dalle osservazioni effettuate sui casi studiati si possono annoverare i seguenti vantaggi: notevole funzionalità estetica in virtù di uno studio accurato sulla base delle immagini TAC del singolo paziente; riduzione del rischio di reazioni infiammatorie grazie alla polimerizzazione del cemento osseo prima dell'intervento; diminuzione dei tempi chirurgici con riduzione di costi e rischi di infezione; miglioramento delle caratteristiche meccaniche della protesi ottenuta grazie ad accurato progetto e a composizione uniforme del materiale, privo cioè di bolle d'aria.
L'utilizzo di un dispositivo protesico su misura per la riparazione di difetti cranici estesi, pronto prima dell'intervento, rende quindi più semplici e veloci gli interventi che si limitano all'impianto di una protesi preformata, garantendo risultati estetici ottimi e riducendo il tasso di fallimenti.
Repliche Anatomiche - Case Studies
Uso delle tecniche di prototipazione rapida nella pianificazione degli interventi di chirurgia craniofacciale su pazienti in età pediatrica: simulazione di distrazione mandibolare in due direzioni
In collaborazione con U.O. Chirurgia Pediatrica - Ospedali Riuniti di Bergamo
Materiali e Metodi
La paziente è affetta dalla sindrome di Franceschetti. L'arretramento della mandibola provoca uno schiacciamento della trachea con comparsa di "sleep apnoea". Al fine di evitare lo schiacciamento della trachea, si è deciso di intervenire chirurgicamente con una distrazione mandibolare in due direzioni.
Per individuare con sicurezza la posizione dei "pins" di fissazione del distrattore, si è realizzato un modello del cranio della paziente mediante tecniche di prototipazione rapida a partire dai dati radiologici.Il chirurgo pianifica e simula l'intervento sul modello utilizzando lo stesso strumentario chirurgico che utilizzerà in sala operatoria durante l'intervento.
Uno dei vantaggi più evidenti di simulare su una replica anatomica un intervento che richiede lo spostamento di segmenti ossei, è quello di avere una visione globale dell'anatomia che durante l'intervento sul paziente è impossibile.Un altro grande vantaggio è la possibilità di pianificare la posizione dei pins di fissazione dove l'osso ha uno spessore maggiore stabilendo a priori l'entità della distrazione di ciascun segmento osseo.
In questo modo viene preparato solo lo strumentario chirurgico strettamente necessario per l'intervento. Inoltre la durata dell'intervento è ridotta dal momento che il chirurgo conosce prima di entrare in sala operatoria le posizioni dei pins che determinano le direzioni della distrazione, evitando quindi dispendiosi tentativi durante l'operazione vera e propria.
Con l'esperienza acquisita simulando l'intervento sulla replica anatomica, il chirurgo può effettuare l'intervento sul paziente con un livello di conoscenza del problema maggiore avendone pianificato con attenzione tutte le fasi.
Risultati
Di seguito si osservano i miglioramenti ottenuti.
Situazione pre-operatoria
Situazione post-operatoria
Si ringrazia il dott. A. Cassisi dell'U.O. di Chirurgia Pediatrica degli Ospedali Riuniti di Bergamo per aver simulato l'intervento e concesso l'utilizzo delle immagini.
La possibilità di interagire con una replica anatomica della patologia del paziente, invece che affidarsi ad immagini bidimensionali oppure ad una sua rappresentazione 3D virtuale, consente di ottenere una serie di informazioni visive e tattili che altrimenti non sarebbero possibili, se non con
un enorme sforzo di immaginazione.
A partire da immagini medicali riproduciamo, con tecniche di rapid prototyping, repliche 3D dell'anatomia di interesse utilizzate per pianificare e simulare, con gli stessi strumenti di sala operatoria, gli interventi ottenendo informazioni preziose, oppure per realizzare protesi impiantabili che si adattano con precisione, o anche come semplice strumento didattico.
Siamo in grado di realizzare modelli anatomici 3D che non si limitano a riprodurre il distretto desiderato, ma presentano la ricostruzione di tessuto mancante per differenti patologie, evidenziato con colorazioni volumetriche.
Tutto questo permette all'equipe chirurgica di eseguire l'intervento con maggiore sicurezza e tranquillità e riducendone rischi, tempi e costi.
Per ottenere una replica anatomica è necessario acquisire le immagini medicali del paziente seguendo un opportu- no protocollo al fine di garanti- re una ricostruzione accurata delle strutture di interesse. Le immagini devono quindi essere inviate al nostro service in formato digitale via rete o su CD-ROM.
Dopo l'elaborazione dei dati della diagnostica digitale si passa alla fase di realizzazione utilizzando processi additivi di prototipazione rapida che consentono la costruzione di qualunque tipo di geometria cavità comprese. A seconda delle esigenze del chirurgo, è possibile costruire repliche con materiali semitrasparenti, che evidenziano le cavità interne, od opachi, facilmente lavorabili con il normale strumentario chirurgico, e colorabili volumetricamente in più zone della stessa replica.
L'accuratezza che si può raggiungere con le repliche anatomiche è inferiore al millimetro.
Ogni fase del processo comporta un errore che può comunque essere minimizzato. Se le immagini sono acquisite rispettando i parametri indicati nel protocollo l'accuratezza delle scansioni è generalmente dell'ordine del 20% rispetto allo spessore della fetta.
L'intervallo tra le slice influen- za l'accuratezza spaziale e dovrebbe essere almeno la metà della dimensione più piccola della struttura di interesse. Vi è poi la fase di segmentazione che dipende dall'es- perienza dell'operatore. Infine il processo di prototipazione rapida introduce un ulteriore errore rispetto alle dimensioni nominali del file 3D.
Sommando gli errori lungo tutto il processo si ottiene un errore rispetto all'anatomia reale che risulta inferiore al millimetro.
L'esperienza maturata nel campo delle protesi craniche su misura ci permette di offrire un servizio di progettazione di protesi personalizzate per la chirurgia
cranio-maxillo-facciale dove il custom made è l'indicazione più opportuna.La progettazione al calcolatore sulla base di immagini TAC del paziente, acquisite secondo un opportuno protocollo, permette la realizzazione di protesi disegnate ad hoc, con precisione elevata, in differenti materiali, dai polimeri ai metalli fino ai materiali osteoinduttivi.
Con le protesi su misura si riduce la durata dell'intervento poiché la procedura risulta più semplice ed efficace. I rischi di complicazioni e di recidive sono mimini, inoltre il risultato estetico e meccanico è ottimo e l'accoppiamento perfetto.
