C’è il modello in gesso di una mandibola creato per l’asportazione di un tumore, quello in resine fotopolimeriche per la resezione di un aneurisma dell’arteria splenica, quello che riproduce gli spessori dell’osso temporale in vista del posizionamento di un’audioprotesi.
Se fino a non molto tempo fa il chirurgo poteva studiare l’intervento da eseguire solo sulla base di immagini bidimensionali in bianco e nero prodotte da radiografie, Tac, risonanza magnetica, oggi, grazie ai continui passi avanti della ricerca e della tecnologia, può disporre di un modello fisico tridimensionale in scala 1 a 1 dell’organo o della struttura sul quale andrà poi ad agire con il bisturi. Ciò gli consente di osservare e di manipolare la parte, apprezzandone i dettagli anatomici e le relazioni spaziali tra le strutture.
«Questo tipo di oggetto, di fondamentale importanza per un’accurata pianificazione pre-operatoria, si ottiene attraverso la stampante 3D, tramite un processo di addizione layer by layer, strato dopo strato», spiega Andrea Moglia, ingegnere del Centro Endocas dell’Università di Pisa.
Per comprendere la procedura, impiegata per la prima volta nel 1980 dall’ingegnere e imprenditore americano Chuck Hull, basta pensare a un grattacielo. Per costruirlo è necessario creare una base, le fondamenta, sulla quale verranno appoggiati i vari piani. Una volta realizzato il primo piano sarà possibile creare il secondo, sul quale verrà eretto il terzo e così via. Solo quando il piano precedente sarà ultimato si potrà procedere alla costruzione del successivo.
Allo stesso modo, la creazione di un prodotto tramite stampa 3D avviene per strati. La stampante realizza il primo strato del pezzo, depositando o fondendo il materiale di costruzione, e solo quando il livello iniziale è completo procede nella produzione depositando il secondo strato, per poi proseguire con i successivi. Centinaia o addirittura migliaia di strati di materiale vengono creati uno sopra l’altro fino a generare il pezzo finito.
Le fasi della produzione del modello
Dal punto di vista tecnico, il processo per ottenere un oggetto con stampante 3D comprende varie fasi.
«Si parte dalla progettazione, durante la quale si elabora, tramite un software CAD, un modello tridimensionale virtuale del pezzo da realizzare», chiarisce l’esperto. «Si converte quindi il modello nel formato STL (Standard Triangle Language), in cui le superfici vengono rappresentate attraverso un reticolo (mesh) di triangoli. Più numerosi sono questi ultimi, migliore sarà l’approssimazione, e di conseguenza la qualità, della riproduzione. Il file Stl viene poi importato in un apposito software chiamato slicer, che seziona l’oggetto in tante sottili fette orizzontali, generando le istruzioni per la stampante. A questo punto, il file viene convertito in G-code, un codice numerico che “traduce” il modello in istruzioni che la macchina è in grado di comprendere e interpretare. È anche possibile impostare alcuni parametri, come ad esempio lo spessore degli strati, il tipo di supporto, l’orientamento del pezzo».
Poiché le prime stampanti consentivano di produrre solo pezzi rigidi e opachi, le applicazioni iniziali hanno riguardato soprattutto la chirurgia maxillo-facciale, l’odontoiatria e l’ortopedia. Oggi è possibile realizzare modelli trasparenti, colorati, deformabili, altamente precisi e realistici e, dunque, l’impiego si è esteso anche agli organi addominali. Per quanto riguarda questi ultimi, in testa nelle pubblicazioni c’è il rene con 45 studi, seguito da fegato (26 studi), pancreas (9), vasi addominali (7), tratto gastrointestinale (7), cavità addominale (6), milza (5), prostata (3), utero (2).
Grazie al continuo perfezionamento delle tecnologie, attualmente sono quindi tanti gli ambiti chirurgici in cui in modello fisico 3D può essere impiegato con successo. Ecco i principali.
Chirurgia addominale
In questo settore i modelli possono essere utilizzati, per esempio, per la resezione della milza, del tumore del rene e del pancreas, per la donazione di rene da vivente. Permettono di apprezzare le distanze anatomiche e di valutare i punti di accesso più idonei, garantendo una panoramica completa delle strutture circostanti. Sono, inoltre, particolarmente utili per valutare casi atipici, in cui sono, per esempio, presenti anomalie morfologiche complesse nella conformazione dei vasi. A confermare l’utilità del planning preoperatorio in quest’area è Andrea Pietrabissa, direttore della Struttura Complessa di Chirurgia Generale II all’Irccs Policlinico San Matteo di Pavia, che dichiara: «manipolare un modello 3D, visualizzarlo, studiarlo da più angolazioni, mi ha dato gli strumenti per toccare con mano la regione anatomica da operare e pianificare al meglio la procedura».
Otorinolaringoiatria e chirurgia maxillo-facciale
Per studiare gli interventi che coinvolgono il massiccio facciale possono essere impiegati modelli di osso temporale e di mandibola. I primi possono essere utilizzati dal chirurgo per pianificare il posizionamento di audioprotesi, mentre i secondi possono, invece, essere utili per la pianificazione chirurgica dell’asportazione di tumori dalla zona mandibolare, per quanto riguarda sia la fase demolitiva sia quella ricostruttiva.
Odontoiatria
Grazie alla stampa 3D è possibile produrre protesi accurate e dettagliate con materiali biocompatibili, realizzare guide chirurgiche, stampare modelli ortodontici. Tra le applicazioni più comuni in questo settore si annoverano la produzione di corone e la chirurgia implantare. Vari i materiali impiegati dalle stampanti, come metallo, ceramica o resine fondibili, scelti sulla base della loro applicazione.
Ortopedia
Questo settore include lesioni traumatologiche, deformità congenite o acquisite, malattie oncologiche. «La possibilità di disporre di modelli 3D accurati delle patologie da trattare permette all’ortopedico di identificare la migliore strategia chirurgica. Si pensi, per esempio, al vantaggio di conoscere l’esatta posizione dei frammenti di una frattura del calcagno in previsione di un intervento mininvasivo o di identificare e adattare preventivamente i mezzi di sintesi da utilizzare in seguito in sala operatoria oppure alla possibilità di valutare l’entità delle osteotomie necessarie per correggere una deformità vertebrale».n Inoltre, i modelli tridimensionali possono anche essere utilizzati per testare e scegliere gli strumenti chirurgici e i device, come barre metalliche, viti, placche, dime, più idonei per il singolo paziente.
Chirurgia vascolare
Aneurisma e dissecazione aortica sono solo due esempi di patologie in cui la stampa 3D aiuta il chirurgo durante la pianificazione dell’intervento. I modelli possono essere usati per valutare il posizionamento, la tipologia e la geometria delle endoprotesi vascolari più idonee allo specifico caso clinico. «L’utilizzo di un modello stampato in 3D influisce molto sulla scelta della tecnica chirurgica e della protesi da utilizzare», conferma Enrico Maria Marone, chirurgo vascolare all’Irccs Policlinico San Matteo di Pavia, «permette di effettuare un intervento meno invasivo ed eventualmente di decidere di non eseguire l’intervento qualora le condizioni non siano idonee».
Chirurgia estetica
Un altro ambito in cui i modelli 3D possono essere d’aiuto è quello della chirurgia estetica, in particolare per quanto riguarda l’esecuzione della rinoplastica. Lo studio dal titolo “Does 3D printing really guide surgeons in having a more satisfying rhinoplasty result?”, pubblicato nel 2019 sul Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery e condotto dai ricercatori dell’Università di Scienze Mediche di Teheran, in Iran, conferma che l’impiego dei modelli è utile per prevedere il risultato finale e renderlo il più possibile conforme alle aspettative dei pazienti.
E i costi dei modelli 3D? Gli studi più recenti hanno evidenziato che il loro impiego ha permesso di ridurre di 62 minuti la durata di ciascun intervento di chirurgia ortopedica e maxillo-facciale, il che corrisponde a un risparmio di circa 3.374 euro. D’altra parte, è anche emerso che in chirurgia generale un modello 3D costa da 100 a 700 euro e richiede per la sua produzione cinque ore di lavoro da parte di personale specializzato e dalle 9 alle 22 ore di funzionamento della stampante.
«I vari aspetti devono essere valutati e bilanciati», commenta Moglia, «anche se sono innegabili i vantaggi dei modelli 3D, scaturiti dalla sinergia tra le competenze ingegneristiche e quelle cliniche, nella pianificazione chirurgica».
Altri impieghi della stampa 3D
Oltre che nel planning preoperatorio, i modelli fisici tridimensionali risultano utili anche in altri settori della chirurgia. Ecco quali sono le principali indicazioni.
Uso didattico. La stampa tridimensionale di modelli anatomici è di aiuto sia agli studenti di medicina, sia agli specializzandi e ai giovani chirurghi, visto che oggi le dissezioni di cadaveri sono sempre meno frequenti. L’utilità di questa procedura in ambito formativo è stata dimostrata da alcune ricerche, tra cui lo studio dal titolo Valore della stampa 3D per la comprensione dell’anatomia chirurgica pubblicato nel 2017 su Surgical Endoscopy e condotto dai ricercatori dell’Università di Pavia; la ricerca intitolata “Do three-dimensional visualization and three-dimensional printing improve hepatic segment anatomy teaching? A randomized controlled study”, pubblicato nel 2016 sul Journal of Surgical Education e realizzato da ricercatori della Southern Medical University di Guangdong, in Cina; lo studio dal titolo “Adapting anatomy teaching to surgical trends: a combination of classical dissection, medical imaging, and 3D-printing technologies”, pubblicato nel 2016 su Surgical and Radiologic Anatomy e condotto dagli esperti del Geneva University Medical Centre di Ginevra, in Svizzera.
Simulazione di interventi complessi. È utile per prevenire gli errori in sala operatoria, migliorando la sicurezza del paziente e l’esito della procedura.
Informazione al paziente. Il modello tridimensionale permette al chirurgo di spiegare meglio al paziente e ai suoi famigliari la patologia presente, rendendoli più partecipi nel processo diagnostico-terapeutico. Ciò si traduce in un consenso informato più consapevole, con una probabile riduzione di successivi contenziosi.
Produzione di protesi custom made. Si tratta di protesi su misura per il singolo paziente utilizzate soprattutto nell’ambito dell’ortopedia oncologica per ricostruire segmenti anatomicamente complessi, come bacino, vertebre, scapola, ossa del tarso e del carpo.
Realizzazione di strumenti chirurgici su misura. Si possono produrre strumenti ad hoc, corrispondenti alle specifiche del chirurgo e personalizzabili in base alle esigenze del paziente e alla procedura da attuare. Tra i materiali impiegati, soprattutto titanio e acciaio inossidabile.
