3D printing and characterization of vertebral anatomical models. Enhancement of medical procedures based on frugal innovation

The aim of this work is to propose a new mean for the medical field based on frugal innovation, that is a novel way of thinking the manufacturing process of products, based on the essential element of “doing more with less”. In particular, only low cost FDM technologies with low cost, free and open source software were employed here. The study is divided in different and subsequent steps where each of them had its precise reason for being. In the first part, the objective was to find a simple and easy way to supply medical schools and students with cheap, graspable, anatomical models as an alternative to those already in use, whether they are plastic models or real body parts coming from cadavers. Then the focus was on PSMs (patient-specific models): three dimensional models of vertebrae reconstructed starting from medical images obtained from the patient during the routine tomographic exams. This would be of great help for different reasons: first of all, the surgeon will have a physical model that can enhance the visualization of the particular disease and for the same reason the education of the patient will be easier; finally, the anatomical models can improve substantially the surgical planning, especially for rare clinical cases. The last part is the mechanical characterization of the above mentioned anatomical models, since the aim is to provide surgeons with 3D printed vertebrae that replicate not only the external appearance of the real counterpart, but also the response under loading, thus allowing an even better preparation of the surgery, giving the possibility of trying the procedure directly on the model, increasing the safety of the patient and reducing the total costs. Initially, the uniaxial properties in both tension and compression of printed specimens made of the most common material for 3D printing were tested. On the basis of the comparison with literature data on bone tissue, the proper combinations of material, structure and infill percentage were used to print and test the actual vertebral models reconstructed by medical images.

Questo lavoro si è proposto lo scopo di introdurre un nuovo strumento nel campo medico, basato sull'innovazione frugale, ovvero il "fare di più con meno". In particolare, solo tecnologie FDM a basso costo sono state utilizzate insieme a software anch'essi a basso costo, se non addirittura gratuiti e open source. Lo studio si divide in step successivi, ognuno dei quali con un obbiettivo ben preciso e con la sua ragion d'essere. Nella prima parte, lo scopo era trovare un metodo semplice ed economico per fornire modelli anatomici alle scuole di medicina, come alternativa a quelli già disponibili sul mercato, più costosi, e a quelli ottenuti dalla dissezione di cadaveri, più difficili da ottenere e conservare. L'attenzione è stata poi spostata sui modelli paziente-specifico (PSM): modelli 3D di vertebre ricostruite partendo dalle TAC ospedaliere. La disponibilità di questi modelli infatti, sarebbe di grande aiuto per diverse ragioni: innanzitutto permetterebbero una visualizzazione più veloce ed intuitiva del caso in esame e per lo stesso motivo, potrebbero essere utilizzati per educare il paziente in vista del consenso informato; infine, migliorerebbero la pianificazione preoperatoria, soprattutto per casi clinici più rari. L'ultima parte di questo lavoro è stata la caratterizzazione meccanica dei PSM, in quanto si è cercato di migliorare questi modelli fornendo anche le stesse proprietà delle vertebre reali, in termini di risposta a carichi di compressione uniassiale. Per fare ciò, sono stati fatti dei test preliminari su campioni stampati in 3D, cambiando materiali, strutture e riempimenti. Sulla base di questi dati, alcune combinazioni particolari sono state scelte e utilizzate per stampare e testare le vertebre ricostruite da TAC.