Lo sviluppo di modelli anatomici 3D è un elemento importante nella simulazione sanitaria. Al SIMU di Brno, la collaborazione con le principali università europee ha portato al progetto ACCEDE, che ha perfezionato tecniche come la segmentazione TC, la scansione 3D e lo stampaggio in silicone. Il progetto ha creato strumenti didattici realistici attraverso un processo strutturato in cinque fasi. Questi sforzi sono culminati in un portale web per la condivisione di modelli anatomici 3D, che promuove l’innovazione nell’istruzione e nella simulazione. Per saperne di più ed esplorare le risorse condivise, consulti la pagina web del progetto.
“Iniziare dall’alto e procedere verso il basso” è uno dei principi di Peter che mi risuona regolarmente nella testa. Tuttavia, nel caso della stampa 3D presso il nostro centro di simulazione di Brno, SIMU, abbiamo ritenuto che non fosse così. Abbiamo iniziato da zero e dopo circa un anno di stampa di supporti, supporti e piccoli pezzi di ricambio per simulatori e trainer abbiamo sentito il bisogno di portare le nostre conoscenze e competenze molto più avanti. Volevamo imparare a stampare modelli basati su dati medici reali: modelli anatomicamente accurati. E ci era chiaro che non potevamo affrontare una cosa del genere da soli.
Inverno freddo, tè caldo e molti pensieri nella nostra testa. Abbiamo iniziato a cercare partner che volessero far parte del nostro audace viaggio. Il professore associato Pavol Vitovič dell’Università Comenius di Bratislava e Marc Lazarovici dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco hanno accettato il nostro invito a unirsi al consorzio del progetto. È così che è nata la richiesta di sovvenzione Anatomically aCCuratE 3D modEls (ACCEDE). Una richiesta che è stata successivamente approvata e grazie alla quale abbiamo appreso le procedure che questo articolo presenta. L’obiettivo dei nostri sforzi era imparare a creare modelli 3D accurati di strutture anatomiche basati su dati medici. Per sviluppare queste conoscenze, abbiamo organizzato workshop interni collaborativi nel corso del 2023. Ai workshop di tre giorni hanno partecipato circa 15 tecnici delle tre università partecipanti e si sono svolti successivamente a Brno, Bratislava e Monaco. I nostri incontri faccia a faccia hanno portato allo scambio di esperienze, competenze, alla sperimentazione di nuove tecnologie e, soprattutto, alla definizione di un percorso comune.
La pipeline completa per lo sviluppo di modelli anatomici 3D
All’inizio del progetto, abbiamo ipotizzato che la principale fonte di dati anatomicamente accurati sarebbe stata l’imaging medico, come la tomografia computerizzata (TC). Tuttavia, nel corso dell’implementazione, abbiamo scoperto la magia della scansione 3D, che è un modo conveniente per ottenere modelli 3D molto accurati da oggetti che sono tangibilmente disponibili nelle nostre mani.
Abbiamo anche ampliato i nostri sforzi nella realizzazione di modelli 3D nel corso del progetto, creando prodotti utilizzando lo stampaggio in silicone. Il motivo di questo passaggio è ovvio: lo stampaggio in silicone è una tecnica per creare modelli morbidi. È la tecnica più comune per creare attrezzature didattiche e trainer nella simulazione sanitaria.
E questo ha già dato origine a un processo piuttosto complesso che chiamiamo pipeline. La creazione di ogni modello 3D passa attraverso alcuni stati specifici. Ogni singolo stato coinvolge persone diverse, tecnologie diverse e il risultato finale assume una forma diversa.
In modo semplificato, potrebbe essere descritto in 5 fasi:
- Ottenere dati grezzi
- Elaborare i dati
- Stampare e fabbricare
- Verificare il prodotto
- Pubblicare e utilizzare
All’inizio, dobbiamo avere un’idea chiara di cosa vogliamo modellare esattamente, dove ottenere i dati necessari, chi sarà il nostro esperto clinico collaboratore sul campo (se non siamo noi stessi), quali materiali useremo per realizzarlo e, soprattutto, per cosa verrà utilizzato il modello. Sarà un bellissimo cervello verde scuro perlescente che ingombrerà il nostro ufficio o un gadget didattico da tagliare e cucire, per esempio?
Il processo in 5 fasi per la creazione accurata di modelli 3D
1. Ottenere dati grezzi
Durante il progetto, abbiamo utilizzato diverse tecniche per ottenere i dati grezzi per il modello 3D. L’approccio più comune è la segmentazione TC. Si tratta di un processo di gestione delle immagini radiologiche e, separando i singoli segmenti di contrasto, si scolpiscono modelli 3D. È la procedura più utilizzata nella medicina clinica. Questa tecnica può essere utilizzata per ottenere modelli di molte strutture anatomiche, sia normali che patologiche. Tuttavia, un limite importante è il contrasto delle strutture anatomiche e anche la precisione della TC. La precisione della maggior parte delle scansioni TC convenzionali è di circa 1 mm per voxel. Le scansioni con una precisione superiore a 1 mm sono l’eccezione o piuttosto la specificità di esami selezionati nella pratica di routine. Un voxel di 1 mm, purtroppo, è una precisione relativamente bassa, se vuole, risoluzione e quindi livello di fedeltà per gli oggetti stampati. I modelli risultanti quindi soffrono di qualche forma di distorsione minore e, ad esempio, le piccole strutture sono quasi impossibili da modellare dalla TC senza l’uso di software medico specializzato addestrato a farlo.
Tuttavia, ciò che può rivelarsi un vero e proprio ostacolo è l’accesso a tali dati medici in materia di legislazione e protezione delle cartelle cliniche. Questo è un argomento che non deve essere trascurato. I dati devono essere elaborati in forma anonima e adeguatamente protetti.
Un secondo possibile approccio per ottenere dati grezzi è quello di utilizzare uno scanner 3D. In questo caso, non si dipende da un reparto di radiologia, ma piuttosto da un dipartimento universitario di anatomia. Quest’ultimo può spesso fornire un gran numero di strutture anatomiche da esaminare e successivamente scansionare. Il processo di scansione è particolarmente adatto per strutture anatomiche solide come le ossa, ma i più avventurosi possono certamente provarne altre.
Gli scanner sono caratterizzati da un’elevatissima precisione. Quello che abbiamo usato al SIMU può lavorare con una precisione di 0,05 mm. Sembra essere 20 volte più preciso dello scanner TC medio. Ma ricordate, stiamo operando in uno spazio 3D, quindi la precisione è in media 8000 volte superiore alla TC. Il processo di scansione in sé è quindi relativamente semplice grazie al software specializzato in dotazione. L’oggetto viene posizionato sul piatto di scansione, che ruota automaticamente e il tecnico deve intervenire solo quando posiziona il modello nella posizione di scansione successiva. Per aumentare la precisione di scansione è possibile utilizzare punti guida aggiuntivi o spray antiriflesso.
2. Elaborazione dei dati
I dati ottenuti tramite segmentazione e scansione sono solo dati di input approssimativi. Ogni metodo presenta artefatti specifici che devono essere risolti durante la post-elaborazione.
Tipici della segmentazione sono le bolle anomale nelle strutture, i vuoti al centro dei modelli che devono essere rimossi per facilitare la stampa e altre imprecisioni che vengono rimosse utilizzando strumenti e tecniche semplici e classiche.
La maggior parte degli artefatti che si presentano durante la scansione vengono rimossi dal tecnico utilizzando il software di scansione specializzato direttamente durante la scansione delle singole superfici, o anche dal software stesso utilizzando correzioni automatiche. Lo scanner 3D produce un modello molto accurato, anche con texture, ma a volte richiede ulteriori ritocchi. Un esempio tipico è l’eliminazione dei punti di scansione ausiliari che sono stati utilizzati per aumentare il livello di precisione della scansione.
3. Stampa e fabbricazione
La stampa 3D è probabilmente la parte più entusiasmante dell’intero processo, ma contrariamente a quanto si potrebbe pensare, è anche la più semplice. Tralasciando i potenziali problemi tecnici che possono insorgere durante la stampa 3D, l’intero processo consiste nel caricare i dati su un’unità USB, inserirla nella stampante e premere il pulsante di stampa. Per le ore successive, potrà osservare con entusiasmo la creazione del suo modello davanti ai suoi occhi.
La stampa 3D è molto precisa, il materiale viene applicato in strati di appena 0,05 mm. Molti studi hanno dimostrato che la precisione della stampa supera quella di una TAC e che il modello stampato corrisponde al master digitale.
La situazione si complica se inizialmente abbiamo deciso di creare un modello utilizzando lo stampaggio in silicone. In questo caso, la stampa 3D sarà solo il primo passo. Per creare stampi in silicone si possono utilizzare due tipi di stampi. Per alcuni modelli, uno stampo rigido è comodo e sufficiente, ma per altri è necessario utilizzare uno stampo morbido, che viene creato mediante stampaggio in silicone.
Nel caso della prima opzione, utilizziamo la stampa 3D per stampare lo stampo, il che significa che abbiamo preparato un’inversione del modello nel passaggio precedente: è così che è stato creato lo stampo. La seconda opzione è un passaggio più complesso. All’inizio, stampiamo il modello 3D stesso, in base al quale fondiamo lo stampo in silicone e solo allora è destinato alla fusione della variante in silicone del nostro modello finale.
4. Verifica della stampa
La verifica può essere considerata una parte cruciale dell’intero processo. Su Internet sono disponibili molti modelli anatomici, ma la loro reale accuratezza rimane una questione aperta. Se l’obiettivo del progetto era quello di creare modelli adatti all’insegnamento, la loro accuratezza è fondamentale.
Pertanto, esperti clinici hanno fatto parte del nostro progetto fin dall’inizio, non solo aiutando noi tecnici a selezionare le strutture corrette e necessarie, ma anche svolgendo un ruolo chiave nella loro verifica. I modelli stampati sono stati forniti agli esperti per la valutazione e i commenti. Nel caso in cui fossero suggerite modifiche per migliorare la qualità del modello, l’intero processo tornava all’inizio, alla seconda fase (lavorazione) e si iniziava a lavorare nuovamente sulle modifiche.
Durante il progetto, ci è diventato chiaro che non tutti i modelli potevano essere verificati utilizzando gli stessi criteri. I criteri di “accuratezza” si basano sulle aspettative che sono state stabilite all’inizio del processo. Ad esempio, se stampiamo una tibia, possiamo stamparla in modo che abbia il peso equivalente all’osso reale. Ma era questo l’obiettivo? Forse abbiamo bisogno di creare un trainer per infusione intraossea in cui l’aspetto cruciale della valutazione non sia la visibilità di ogni dettaglio anatomico dell’osso, ma piuttosto le caratteristiche del materiale quando viene forato con un trapano a 20.000 giri/min.
Pertanto,
i criteri di verifica devono essere basati sullo scopo e sull’intento del modello in fase di sviluppo.
I modelli in silicone in genere sono sottoposti a un ciclo di verifica più impegnativo rispetto a quelli stampati in 3D. In genere sono necessarie diverse iterazioni per produrre un modello particolare che soddisfi i tecnici e soprattutto gli esperti clinici. Solo allora il modello viene utilizzato nell’insegnamento, dove viene accuratamente verificato dagli studenti.
5. Pubblicazione e utilizzo
È facile immaginare che un’attività lavorativa di questo tipo possa essere molto interessante e stimolante. Tuttavia, non dobbiamo dimenticare che ogni modello che creiamo deve avere uno scopo preciso. Il loro percorso è stato stabilito molto prima che iniziassimo a produrli. E così la maggior parte dei modelli, non solo nel nostro centro di simulazione sanitaria, va direttamente all’insegnamento. Capita spesso che non abbiamo nulla da presentare perché tutti i nostri prodotti vengono immediatamente utilizzati per l’insegnamento. Tuttavia, questa è la gratificazione più piacevole del nostro lavoro.
Sappiamo da tempo che questo argomento è condiviso da molti dei nostri colleghi di diversi centri di simulazione, che seguono lo stesso percorso e creano molti prodotti interessanti per la formazione sanitaria utilizzando passaggi identici. Crediamo anche che i nostri risultati, modelli 3D anatomicamente accurati, possano essere utili nell’insegnamento ai livelli inferiori di istruzione. Molte scuole oggigiorno possiedono stampanti 3D, spesso esitando su quali cose utili stampare. Immagini se potessero stampare un modello anatomico rilevante per ogni studente.
Ecco perché parte del nostro progetto è lo sviluppo di un portale web per la condivisione di modelli 3D con argomenti di simulazione anatomica e sanitaria. In questo modo, stiamo creando uno spazio comune in cui è possibile diffondere le proprie competenze anche al di fuori delle mura del proprio centro di simulazione, della propria facoltà o del proprio ospedale. Come risultato del progetto, abbiamo promesso che almeno 70 modelli saranno disponibili su questo portale web.
Considerazioni finali
Se ha letto fin qui, non esiti e visiti il portale all’indirizzo https://printanatomy.eu.
L’argomento e il processo descritti sono stati recentemente presentati come workshop al SESAM Annual Meeting di Praga 2024 e anche al SIMPO 2024. Se ha familiarità con questo argomento, non esiti a dare un’occhiata alla SESAM Technology & Innovation Community of Practice che riunisce gli appassionati di innovazione e tecnologia.
Certamente, può anche utilizzare i miei contatti. Sarò grato per qualsiasi messaggio.
Il progetto è stato cofinanziato dall’Unione Europea nell’ambito del programma Erasmus+.
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