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Luca Borro

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  1. Sembra strano a dirsi ma la medicina è uno dei settori in cui il 3D è maggiormente utilizzato ma, soprattutto, è un settore che sta prendendo tutto il meglio da questa tecnologia. In realtà la terza dimensione in medicina non è una novità: le indagini radiologiche (TAC e Risonanza) utilizzano le ricostruzioni tridimensionali da tantissimi anni. Negli ultimi anni però lo scenario è profondamente cambiato e tutt’oggi c’è una vera e propria evoluzione in atto in questo senso. Prima di parlare delle applicazioni del 3D in medicina e di come la multidisciplinarietà sta cambiando il settore è necessario fare un’introduzione tecnica che mette subito in evidenza come il 3D viene concepito in ambito radiologico e fa chiarezza su un concetto tecnico importante che viene a volte confuso ma che è alla base di tutto il resto. Le ricostruzioni 3D in medicina si distinguono, semplificando, in due grandi categorie: quelle che derivano dal Volume Rendering e quelle che derivano dal Surface Rendering. Quelle un pò “più vicine” ai non medici come me sono le seconde perché si tratta nient’altro che di normalissime mesh. Facciamo un esempio banale ma esplicativo con due rappresentazioni diverse dello stesso caso clinico. Questo è un Volume Rendering che arriva da un esame TC. Senza entrare troppo nel dettaglio si tratta di un insieme di voxel rappresentati stabilendo una telecamera nello spazio e attribuendo ad ogni voxel una opacità (cioè la quantità di luce che può attraversa un voxel) e uno shading (cioè il modo con cui il voxel reagisce alla luce incidente riflettendola o meno). L’opacità è molto importante perché permette di vedere alcune strutture anatomiche piuttosto che altre. Questo è invece un Surface Rendering. Non c’è molto da dire in questo caso: si tratta di una mesh ottenuta attraverso un processo chiamato segmentazione in cui, con varie possibilità di azione, si va ad isolare una parte anatomica di interesse dalle immagini radiologiche. Le differenze tra i due sistemi sono molte come si può facilmente immaginare. La più grossa differenza risiede nel fatto che, a differenza del primo modello, il modello derivante da Surface Rendering può essere ulteriormente lavorato per successivi processi normalmente utilizzati in medicina quali, ad esempio, Stampa 3D, analisi FEA, simulazioni e modelli di comunicazione. Quello del 3D in medicina è un mondo complesso e affascinante che merita approfondimenti e tanto studio. E’ un mondo decisamente diverso dall’uso “canonico” del 3D come rappresentazione di oggetti di design e di architettura. Tuttavia questo approccio riceve molto da ambiti diversi quali l’ingegneria, il design e l’architettura stessa. Utilizzare le varie declinazioni del 3D in medicina vuol dire apportare un certo livello di innovazione in un settore molto delicato e difficile. La mia formazione è atipica (molto atipica). Sono un architetto con una tesi sul 3D Modelling e attualmente mi trovo a pochi esami da una seconda laurea in Biologia Sanitaria. Non sono qui a dirvi perché questi due percorsi formativi così (apparentemente) distanti tra loro ma questo mix interdisciplinare tra architettura e biologia umana è stato per me fondamentale sia per lavorare sul 3D applicato all’anatomia umana e sia per aprire i miei orizzonti culturali a quello che penso sia il futuro delle professioni in generale: la multidisciplinarietà. Ho notato che la prima cosa a cui bisogna rinunciare totalmente se si vuole lavorare in questo settore è la creatività. Questa va certamente dimenticata perlomeno nella maggior parte delle applicazioni che si realizzano. C’è invece bisogno di un approccio rigoroso e scientifico, di mettersi a completa disposizione del medico il quale manifesta una esigenza che il 3D Specialist con le sue specifiche competenze può soddisfare. Ma come viene utilizzato il 3D in medicina? A cosa serve? Il 3D in medicina viene utilizzato per il planning pre-operatorio di casi clinici complessi come supporto alle immagini radiologiche. Soprattutto se parliamo di stampa 3D questa viene vista dal medico come un valore aggiunto alla comprensione clinica del caso. Ma il 3D può essere utilizzato anche come strumento di discussione generale e collettiva di un caso clinico oppure per comunicare al paziente (o ai famigliari) come si svolgerà un intervento aumentando la consapevolezza e la fiducia nel medico. Modelli anatomici di casi clinici specifici ricostruiti da immagini radiologiche e realizzati attraverso la stampa 3D vengono inoltre utilizzati in molti ospedali come strumento di training per i medici. Questi ultimi si allenano sui modelli come veri e propri atleti: qualche tempo fa un chirurgo che si occupa di interventi all’apparato digerente in laparoscopia (tecnica chirurgica mininvasiva praticata attraverso dei piccoli fori di accesso sulla cute per giungere all’intetino) mi diceva che per lui allenarsi a fare suture è fondamentale visto che durante gli interventi utilizza degli strumenti (chiamati trocar) che fungono da vero e proprio “prolungamento” delle sue mani. Questo training una volta (e in alcuni casi ancora adesso) si faceva su lacci emostatici che simulano l’intestino. Un approccio abbastanza riduttivo e superato direi, dal momento che con la stampa 3D ora possiamo ricreargli un vero e proprio intestino (magari con una patologia speicfica) con un livello di durezza più o meno simile al tessuto reale. Se utilizziamo il 3D per fare delle simulazioni realistiche agli elementi finiti però esso può assumere anche un valore predittivo, può dire al medico come si comporterà una struttura anatomica in caso di sollecitazioni indotte, quantomeno in maniera predittiva. La sensibilità e l’esperienza del medico faranno la differenza nell’affrontare i vari casi e permetteranno al medico di capire quanto affidarsi ai modelli ricostruiti e quanto affidarsi ad altre fonti di indagine clinica. A livello pratico e concreto invece ci sono tre applicazioni principali in cui il 3D in medicina viene declinato. Esse sono: Il modelling 3D di parti anatomiche;La Stampa 3D;La Realtà Aumentata;Il modelling 3D di parti anatomiche Schermata del software di 3D modelling medicale Mimics di Materialise Questa applicazione la paragonerei ad un disegno che viene ragionato e studiato dal medico e riprodotto in 3D dal tecnico o dal medico stesso se conosce i software. Si parte dalle immagini radiologiche volumetriche (TAC, RM) dalle quali il medico ricava la zona di interesse da ricostruire in 3D. Il medico indica passo passo al 3D Specialist quali parti anatomiche è necessario includere o escludere dal modello, come dividere le parti anatomiche (divisioni, colori e modi di rappresentazione più idonei), quale grado di dettaglio dare alla mesh. Il medico è (e deve essere) presente durante tutta la fase di ricostruzione senza delegare. Il tecnico NON deve procedere autonomamente alla ricostruzione se affianco non ha un medico che lo guida. Al termine del processo di ricostruzione si ottiene un modello che, talvolta, può essere molto complesso (in particolare quando si rappresentano i distretti toraco-addominali). La finalità del modello 3D virtuale ottenuto può essere quella di essere successivamente studiato con analisi FEA oppure utilizzato per calcolare volumi e per effettuare simulazioni di spostamenti (nel caso delle osteotomie che prevedono ricostruzioni ossee). Le analisi FEA sono molto utilizzate nell’ambito cardiovascolare per simulare ad esempio l’apertura e la chiusura di uno stent all’interno di un vaso oppure il flusso di sangue in un’arteria. Come sappiamo il modello ottenuto va ottimizzato e preparato per questo tipo di analisi. Alcune simulazioni (previsioni) dei volumi delle parti anatomiche ottenute possono essere realizzate attraverso veri e propri processi di 3D modelling di base incluse operazioni di “sculpting” molto ragionate e poco artistiche. L’anatomia umana prevede solo forme organiche e lo sculpting normalmente utilizzato nel “Characther 3D” può essere utile per approssimare delle situazioni anatomiche e fornire dei risultati di massima previsionali. Considerazioni a parte andrebbero fatte per il 4D (ad esempio del cuore) in cui, dai dati TAC, si può rappresentare un modello di cuore paziente-specifico in movimento. La Stampa 3D Ricostruzione di Superficie di un'articolazione scapolo-omerale Stampa 3D con tecnologia FDM dell'articolazione scapolo-omerale Se ne parla molto e tantissimi sono gli articoli scientifici (e non) usciti negli ultimi 2 anni su questo tema. La stampa 3D in medicina si configura come una delle più importanti innovazioni che la tecnologia ha messo a disposizione del settore biomedicale. Nonostante le innumerevoli possibilità messe a disposizione dalle diverse tipologie di stampanti 3D anche in questo caso farei 3 grandi suddivisioni per spiegare con chiarezza l’applicaizione della stampa 3D in medicina. Esistono 3 tipologie di stampanti per altrettante esigenze cliniche e mediche: FDM: può essere utilizzata in maniera diretta limitatamente alla rappresentazione dell’osso. Se la stampante è di qualità i suoi prodotti possono essere utilizzati dai chirurghi del maxillo facciale per studiare i casi clinici da operare e per piegare preventivamete su modello (prima che su paziente) alcune placche metalliche di osteo-sintesi utilizzate dai medici per ricostruire le fratture. Non vedo ulteriori possibilità applicative di questa tecnologia all’infuori del tessuto osseo. Indirettamente invece può essere usata per produrre stampi per realizzare parti anatomiche in vari materiali ma questa soluzione non è da preferire perché sicuramente comporterebbe una riduzione dell’accuratezza e della precisione dei modelli. Stampa 3D del distretto osseo nasale con rappresentazione della mucosa per training in endoscopia SLA/DLP: rappresentano le tecnologie di stampa utilizzate principalmente nel settore dell’odontoiatria che, in fin dei conti, è stato il primo settore a fare un uso concreto della stampa 3D in ambito medico. Le stampanti stereolitografiche hanno le caratteristiche di precisione tali da garantire pezzi molto precisi tanto da poter essere usate in applicazioni particolari come l’ortodonzia dove spostamenti millimetrici fanno la differenza. Inoltre alcune di queste stampanti (FORMLAB e DWS fra tutte) offrono materiali biocompatibili che possono essere sterilizzati (a caldo e/o a freddo) ed essere posti a contatto diretto con il paziente (con dovuti limiti e accortezze). Stampa 3D di atrio sinistro con in evidenza l'auricola sinistra. Stampato con tecnologia SLA trasparente POLYJET: questa è la tecnologia più utile all’ambito medico. Le macchine Polyjet (in particolare la Stratasys J750) garantiscono modelli multimateriale e multicolore che sono esattamente quello che normalmente si ricerca in ambito biomedicale soprattutto quando la stampa 3D serve per effettuare accurati planning pre-operatori. Questa tecnologia consente di ottenere modelli con parti di diverse morbidezze esattamente come accade nel nostro corpo (si parla di scala Shore A con valori molto bassi tra i 20 e i 40ShoreA). Oltre alle morbidezze anche i colori possono essere diversificati in base alle strutture anatomiche. Si ottengono così modelli completi effettivamente utili e che apportano un vero valore aggiunto alla pratica medica. Immagine da: http://www.stratasys.com/j750. Distretto anatomico testa-collo stampato con stampante stratasys J750, l'unica tecnologia in grado di realizzare modelli anatomici complessi multimateriale e multicolore. La Realtà Aumentata E’ sicuramente una evoluzione della stampa 3D. Nei prossimi anni probabilmente l’AR in ambito medicale avrà ulteriore rilevanza visto ciò che consente di ottenere attualmente. Si prevede lo sviluppo di applicazioni radiologiche direttamente collegate ai sistemi di imaging per rendere fruibile la realtà aumentata in medicina in maniera semplice ed immediata per il medico. E’ una tecnologia che rispecchia molto il modo di lavorare del chirurgo in quanto a praticità di applicazione e velocità nell’ottenere immagini complesse fruibili in maniera immediata e semplice attraverso visori e dispositivi ottici. Attualmente, dal punto di vista clinico, non ha una grande diffusione non tanto per questioni tecniche ma per via del progressivo (e lento) adeguamento dei processi standardizzati all’interno delle strutture sanitarie. Dal punto di vista tecnico – realizzativo un importante tassello del processo di ricostruzione 3D in medicina riguarda i software. Quali software vengono utilizzati per il 3D in medicina? Se parliamo di visualizzazione 3D senza possibilità di interazione con il modello (e quindi parliamo di Volume Rendering) ormai quasi tutti i software hanno funzioni di ricostruzioni semplici 3D. Uno fra tutti è RADIANT, un software free molto versatile, pratico e veloce che consente di prendere visioni delle immagini radiologiche e operare ricostruzioni volumetriche con semplicità e immediatezza. Se invece parliamo di software di modellazione 3D strettamente legati all’ambito biomedico la scelta si fa più ampia e complessa. Tralasciando gli aspetti tecnici legati alle certificazioni di qualità dei vari software è quasi convenzionalmente riconosciuto tra gli esperti del settore che il software Mimics (Materialise) è il più importante strumento di lavoro per chi si occupa di 3D medicale a livello professionale. Possiamo definire Mimics il “3D Studio Max” del medicale. In base alla mia personale esperienza nel settore posso dire che non esistono altri software così ottimizzati e così completi. Questo programma sembra essere stato studiato al dettaglio sulle singole esigenze di chi si occupa di 3D medical imaging. In realtà Mimics è solo uno dei software di una Suite completa di applicativi che svolgono varie funzioni. Per quanto estremamente interessanti non tutti i moduli contenuti nella Suite sono indispensabili soprattutto per chi ha esperienza di software di modellazione matematica come Rhinoceros (nel mio caso). Mimics consente la ricostruzione di immagini radiologiche 2D in modelli 3D con grande accuratezza. Sotto questo aspetto contiene dei tool specificatamente progettati per riconoscere, in maniera automatica o semiautomatica, i vari tipi di tessuti che compongono un distretto anatomico. E’ estremamente interessante e utile il tool cardiovascolare che permette di segmentare il cuore con un processo pressochè automatico dove l’intervento dell’operatore è molto ridotto. La suite che contiene Mimics però ha anche moduli di disegno interessanti che però possono anche essere sostituiti da software diversi qualora l’operatore li conosca (Rhinoceros, Solidworks tra i tanti). I moduli di disegno di Materialise sono molto facilitati e probabilmente indirizzati ad un pubblico non tecnico (medici). Di contro il software ha costi che probabilmente si giustificano solo per grandi centri di ricerca medica. Tra i vari software di ricostruzione 3D medicale va sicuramente citato Slicer 3D. Si tratta di un software Open Source frutto della collaborazione di una nutrita community di sviluppatori. Questo software è decisamente completo. Gode di funzioni interessanti e peculiari grazie ad un elevato numero di add-on installabili a parte. Di contro però ha un’architettura molto poco user-friendly. E’ molto complessa e disordinata la gestione dei dati e delle immagini. Produce mesh non ottimizzate (inutilmente pesanti) a differenza di Mimics che invece produce mesh leggere e lavorabili. Non gode di grandi strumenti di editing delle mesh e, infine, non ha le certificazioni necessarie per poter essere utilizzato per applicazioni cliniche. Il suo utilizzo è relativo a lavori di ricerca. Chiaramente è gratuito e questo rappresenta un indubbio vantaggio. Perché non parlare invece di quanto è utile in questo settore MeshMixer? Un semplice modello mandibolare ricostruito da una Cone Beam CT attraverso il software BluSkyPlan e ottimizzato in MeshMixer con cui sono state eseguite due semplicissime operazioni booleane di sottrazione dei nervi mandibolari dal contesto osseo e alcune operazioni di miglioramento della mesh. Sembrerà assurdo ma, anche nell’ambito medicale, questo software non ha niente da invidiare ai concorrenti più blasonati. E’ circa un anno che utilizzo MeshMixer per alcune importanti attività di editing dei modelli anatomici e, con onestà, dico che ad oggi non potrei farne a meno. La semplicità e la completezza delle funzioni lo rendono insuperabile. Il fatto che sia free lo rende ancora più praticabile. Non è raro che io trovi, nella letteratura scientifica, dei riferimenti a questo software su lavori e pubblicazioni di alto livello. La diffusione del 3D in medicina è molto eterogenea sia per le strutture che si adoperano in questa attività sia per la tipologia di applicazioni praticate. Un utilizzo base del 3D in radiologia è diffuso ovunque. Nei centri più grandi invece si parte dall’utilizzo base fino ad arrivare alla stampa 3D e alla realtà aumentata. Normalmente si tratta di centri che si occupano di ricerca in ambito biomedicale in cui operano quindi team multidisciplinari. E’ la multidisciplinarietà la chiave di questo lavoro. Il medico radiologo ha bisogno di figure alternative che arrivano da altri settori per realizzare modelli 3D complessi, per gestire i processi di stampa 3D e di AR. Ritengo che queste figure possono avere una formazione eterogenea (dall’ingegneria al design) ma con una solida base di formazione di anatomia, per questo quindi le figure che si appassionano di questo settore devono necessariamente rimettersi in gioco e ricominciare in qualche modo a studiare tanto (a livello universitario) per allargare la propria formazione di base. A tal proposito voglio citare la storia di Heater Goodrum una ragazza con un background formativo in 3D Design che è approdata al British National Health Service (NHS) dove si occupa di ricostruzioni 3D in ambito clinico. Potremmo scrivere ancora diverse pagine se iniziassimo ad esempio a trattare il tema del bioprinting, ossia dell’utilizzo delle stampanti 3D per la produzione di modelli biologicamente attivi, composti cioè da materiale organico (cellule e matrice extracellulari). Un settore questo in cui ad esempio il mix tra architettura e biologia è chiaramente vincente per ovvi motivi. Tuttavia ad oggi, nonostante gli articoli che spesso leggiamo sui media (non scientifici), la strada da fare in questo ambito è ancora lunga. Siamo molto lontani dal poter parlare di “organi” funzionali stampati in 3D anche se spesso leggiamo notizie di questo tipo. Personalmente vado sempre con “i piedi di piombo” quando leggo notizie che affermano che si è stampato un organo in 3D. Anche perché la terminologia in ambito scientifico ha un peso e raramente si parla di organi piuttosto si parla di cellule, di tessuti o di piccole parti di esse. Ricordiamo infatti che la cellula ha dimensioni medie che vanno da 10 a 100µm, e quindi va da se che parlare di interni organi è complesso. Inoltre nello stesso organo sono presenti più tipi cellulari e quindi la complessità aumenta esponenzialmente. Nel bioprinting il modelling 3D può essere di grande utilità, soprattutto se il progetto al quale lo si applica è di interesse scientifico. Ho seguito e sto seguendo un progetto che riguarda il design di scaffold per la rigenerazione del tessuto osseo e per ottenere il risultato che vedete in foto ho scelto di usare Rhinoceros + Grasshopper. Questo mi sta dando la possibilità di poter ottenere le forme desiderate in maniera quantitativamente definita senza lasciare nulla al caso. Stampa 3D di un cubetto di dimensioni 1 centimetro cubo contenente all'interno circa 15.000 trabecole di spessore medio 0,25mm stampate in cromo-cobalto (stampa di test) con tecnologia Laser-Sintering. Il modello 3D è stato realizzato sviluppando un algoritmo generativo con Rhinoceros + Grasshopper. Cubetto di forme organiche da Rhinoceros + Grasshopper Test di stampa 3D con Bioprinter del cubetto trabecolare in materiale biologicamente attivo. Grazie a BioBot per la collaborazione e per l'immagine. Le criticità riscontrabili nel bioprinting dunque non sono un problema di tecnologia: alcune bioprinter disponibili riescono a produrre modelli sorprendenti. Il problema è di carattere biologico più che tecnologico. Sintetizzando molto: i nostri tessuti hanno bisogno di sangue per sopravvivere e realizzare un modello anatomico biologicamente funzionante con la relativa vascolarizzazione è un obiettivo ancora lontano dall’essere raggiunto. Tuttavia i risultati raggiunti fino ad oggi da alcuni studi in corso sono incredibili e nei prossimi anni, credo, avremo di che stupirci al riguardo.
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