Anatomia in 3D. Progettazione e stampa 3D di modelli anatomici paziente-specifici per la medicina e la chirurgia

The objective of this work is to design and develop anatomical models to be realized with the 3D printing process, and they must have similar mechanical properties to the real body parts, and we considered the carotid artery and the vertebrae. The main steps of the project are the development of a method for the segmentation of the models starting by a DICOM file, TAC or MR, creating the 3D patient-specific virtual models; the choice of the machine and the more suitable materials; and the actual print followed by some mechanical tests. The purpose of this project is the pre-surgical planning on the patient-specific models, to give the possibility to the surgeon to better know how to operate, to reduce the risks and operation time; another reason could be didactic training in schools, and informed consent to let the patient understand the real conditions of the operation. Nowadays the most used 3D printing process is the stereolithography, because of its precision, but the purpose of this work is to use low-cost technologies to reduce the costs for more accessibility to this kind of applications, that can save life.

L’obiettivo di questa tesi è la progettazione e la realizzazione di una serie di modelli anatomici stampati in 3D, che ne replichino la forma e che meccanicamente si comportino come gli organi reali, e la scelta dei modelli da riprodurre è ricaduta su due tipologie di organo: le arterie e le ossa, simboleggiate rispettivamente da una carotide e dalle vertebre. I passaggi chiave del progetto sono lo sviluppo di un metodo per la ricostruzione dei modelli tridimensionali degli organi direttamente dai file DICOM generati della strumentazione diagnostica, TAC o Risonanza Magnetica, ricreando dunque i modelli 3D virtuali ‘paziente-specifici’; la scelta della macchina e dei materiali più adatti per riprodurre le qualità delle ossa e dei vasi sanguigni, la stampa effettiva dei modelli anatomici seguita da una fase di test valutare le proprietà meccaniche. La motivazione principale dietro a questa applicazione della stampa 3D è la pratica ‘pre-operatoria’ su un modello ‘paziente-specifico’, ovvero personalizzato, per dare la possibilità ai chirurghi di ‘vedere e toccare’ l’organo interessato prima dell’intervento in modo da prepararsi in maniera adeguata e fedele; inoltre può risultare un ottimo ausilio a livello didattico per professori e studenti, e ultimo ma non per importanza può svolgere un ruolo dimostrativo-esplicativo per facilitare la comprensione dell’intervento da parte dei pazienti e rendere più consapevole in tal modo il consenso informato. Attualmente vengono realizzati dei modelli per le simulazioni con la tecnologia di stampa SLA, molto costosa sia per le stampanti sia per i materiali, e per questo motivo è stato scelto di utilizzare la tecnologia FDM, utilizzando materiali rigidi come PETG e PLA e materiali flessibili come il TPU, per la maggiore economicità della stampa a filamento data dall’utilizzo di stampanti low-cost e di materiali non eccessivamente costosi, che potrebbero portare all’abbattimento dei costi e a dare una maggiore accessibilità a questo potente strumento dalle molteplici potenzialità racchiuso nella parola ‘simulacri medici’.