Design and fabrication of a respiratory lung phantom

Research has shown that the success rate in many types of surgeries is strictly related to the experience of the surgeon. However, early in their career, trainees are not given the opportunity to operate on a sufficient number of patients nor to perform an exhaustive mix of procedures. Training and technical tasks are usually practised on cadavers, animals or using virtual simulators. However, all these alternatives present difficulties: limited availability, expensive handling and preservation processes (cadaveric training), nonhuman anatomical structures (animal training), costly set-up, and doubtful skills transfer to the real operating theatre (virtual simulators). A potential solution is to promote the use of synthetic 3D models, also known as phantoms. Phantoms are reproduction of human organs that allow the trainee to practice positioning of the anatomical structures as well as hand coordination. Unfortunately, they lack of reliable tactile feedback and real tissue deformation patterns which critically reduce the fidelity of the surgical training. The main objective of this project is to overcome the present limitations by developing phantoms capable of providing detailed anatomical structures along with an accurate tactile response when performing surgical tasks such as cutting and suturing. The proposed investigation is aimed at designing, making and testing synthetic materials tailored to reproduce the mechanical response of the lungs. Firstly, a tunable synthetic compound will be characterized and employed to identify its mechanical properties and compare them with those of lung tissue. Secondly, medical 4D images of the lungs during a complete respiratory cycle will be segmented and the deformation field of the organ extracted. Afterwards, finite element simulations of the 3D organ during the respiratory cycle will be performed: an architected mesh of the airways will be designed and placed in the phantom, which will guide the deformation of the synthetic organ to minimize the mismatch with the medical volumes. Finally, guidelines will be given, to manufacture a 3D physical model of the lungs, that hasn't been completed due to SARS-CoV-2 emergency.

La ricerca ha dimostrato che il tasso di successo in molti tipi di interventi chirurgici è strettamente correlato all'esperienza del chirurgo. Tuttavia, all'inizio della loro carriera, neolaureati e specializzandi non hanno l'opportunità di operare su un numero sufficiente di pazienti né di eseguire tutte le procedure chirurgiche. Le esercitazioni si svolgono solitamente su cadaveri (nei paesi dove è consentito), su animali o tramite simulatori virtuali. Tuttavia, queste alternative presentano delle limitazioni: scarsa disponibilità delle risorse, costi elevati, e scarsa fedeltà di riproduzione delle condizioni reali di un intervento chirurgico. Una promettente soluzione è quella di promuovere l'uso di phantom per la riproduzione di parti e organi umani che permettono al praticante di poter individuare strutture anatomiche riprodotte fedelmente e di eseguire task come tagliare, clampare e suturare. L'obiettivo della presente ricerca è la progettazione e produzione di un phantom che possa riprodurre la stessa risposta meccanica del tessuto polmonare rispetto alle sollecitazioni introdotte durante un intervento chirurgico. In primo luogo, è stato svolto uno studio dello stato dell'arte per poter ottenere i valori di stress e deformazione durante il ciclo respiratorio e diverse concentrazioni di un materiale sintetico sono state testate per identificare quella con le proprietà meccaniche più simili a quelle del tessuto polmonare. In secondo luogo, si sono utilizzate delle immagini 4D CT per ottenere la deformazione dei polmoni durante il ciclo respiratorio. Queste sono poi state segmentate, ottenendo così dei volumi 3D. Successivamente, si è realizzato un modello agli elementi finiti (FEM - Abaqus), per effettuare delle simulazioni numeriche. La geometria delle vie aeree è stata progettata e sarà ottimizzata in modo da guidare la deformazione del phantom, minimizzando l'errore rispetto a quella dell'organo reale. Infine, verranno descritti i passaggi necessari alla produzione del modello 3D dei polmoni, che non è stato possibile completare a causa del SARS-CoV-2.