Progettazione e realizzazione di un fantoccio cerebrale per il planning e il training di operazioni neurochirurgiche

Among the most common pathologies that the neurosurgeon most often deals with, there are the removal of tumours in the neuroncological field and the clipping of cerebral aneurysms in the neurovascular field. The most commonly used approach to access the brain is the craniotomy. Neuro-oncological surgery, in spite of considerable developments and improvements in neuronavigation systems, still has a significant limitation: brain-shift, displacement of the brain due mainly to changing boundary conditions, gravity, loss of cerebrospinal fluid and possible resection of tumour tissue. The resulting deformation of the cortical surface can be up to 20 mm and this leads to a loss of precision for the neurosurgeon. In the neurovascular field, however, an unresolved problem is the choice of the most suitable clip for the aneurysm to be treated. Clipping of cerebral aneurysms is a procedure that requires a high degree of accuracy to prevent them from bursting and causing permanent damage to the patient. There are numerous clips that differ in shape, size and curvature depending on the type of aneurysm, its location and size, so it is necessary for the surgeon to know how to choose the best clip taking into account all the relevant factors. In the light of the various problems still unresolved and the needs of surgeons in training, which to date have not been adequately met, two objectives were set in this thesis project: 1. To create a brain phantom for the simulation of brain-shift starting from a quantitative analysis of two datasets of pre- and intra-operative MR T2 images of the same patient undergoing craniotomy for the removal of a brain tumour. This initial study was fundamental in defining the structures most influential on brain deformation and therefore to be included in the brain phantom. These include the white matter, the grey matter, the lateral ventricles and the skull.2. To develop a vascular model with aneurysm to be used as a surgical training tool for clipping aneurysms. To this end, two models were 3D printed from the same MRA image database of a patient with a saccular aneurysm on the anterior communicating artery of the circle of Willis. For both the phantom and the vascular models, evaluation tests, US imaging tests and preliminary mechanical measurements (for the phantom) and clipping simulation tests (for the vascular models) were performed.

Tra le patologie più diffuse per cui è richiesto un intervento neurochirurgico vi sono l'asportazione di tumori nel campo neuroncologico e il clipping di aneurismi cerebrali nel campo neurovascolare. L'approccio più comunemente usato per accedere al cervello, è costituito dalla craniotomia. La chirurgia neuroncologica, nonostante i notevoli sviluppi e miglioramenti dei sistemi di neuronavigazione, presenta ancora un significativo limite: il brain-shift, spostamento del cervello dovuto principalmente al cambiamento delle condizioni al contorno, alla gravità, alla perdita di liquido cerebrospinale e all'eventuale resezione di tessuto tumorale. La deformazione della superficie corticale che ne consegue può arrivare a 20 mm e questo porta a una perdita di precisione del neurochirurgo. Per quanto riguarda il campo neurovascolare, invece, una problematica non ancora risolta riguarda la scelta della clip più adatta all'aneurisma da trattare. Il clipping di aneurismi cerebrali è un procedimento che richiede un alto grado di accuratezza per evitare che essi scoppino e provochino danni permanenti al paziente. Esistono numerose clip che si differenziano per forma, dimensione e curvatura in base al tipo di aneurisma, alla sua posizione e dimensione, per questo è necessario che il chirurgo sappia scegliere la migliore clip tenendo conto di tutti i fattori elencati. Alla luce delle varie problematiche ancora aperte e delle necessità da parte dei chirurghi in formazione, ad oggi non adeguatamente colmate, nel presente progetto di tesi ci si è posti il duplice obiettivo di: 1. Realizzare un fantoccio cerebrale per la simulazione del brain-shift partendo da un’analisi quantitativa di due datasets di immagini MR T2 pre e intra operatorie dello stesso paziente sottoposto ad un'operazione di craniotomia per l'asportazione di un tumore cerebrale. Questo primo studio è stato fondamentale per definire le strutture più influenti sulla deformazione del cervello e quindi da includere nel fantoccio cerebrale. Queste comprendono la materia bianca, la materia grigia, i ventricoli laterali e il cranio. 2. Sviluppare un modello vascolare con aneurisma da utilizzare come strumento di training chirurgico per il clipping di aneurismi. A tal fine sono stati stampati in 3D due modelli partendo dallo stesso database di immagini MRA di un paziente con un aneurisma sacculare sull'arteria comunicante anteriore del circolo del Willis. Sia per il fantoccio sia per i modelli vascolari realizzati, sono stati effettuati dei test di valutazione, dei test di imaging a US e misure meccaniche preliminari (per il fantoccio) e dei test di simulazione di clipping (per i modelli vascolari).