Stampanti 3D in sala operatoria. Tecniche di realizzazione ed installazione di protesi ortopediche custom made che migliorano la qualità della vita del paziente oncologico.

Giuseppe Navanteri
Ingegnere Medico specializzato in gestione ed elaborazione di progetti, piani e programmi di investimento finalizzati alla edilizia e tecnologia sanitaria

Alessia Tonnetti
Ingegnere clinico e biomedico con PhD,esperta nella progettazione degli ambienti ospedalieri con particolare attenzione ai requisiti di sicurezza contro le radiazioni ionizzanti e non ionizzanti.

La stampante 3D entra in sala operatoriaed in particolare nella sala operatoria degli Istituti Fisioterapici Ospitalieri di Roma. L’Ortopedia Oncologica è una branca dell’ortopedia specializzata nella diagnosi e cura dei tumori muscolo scheletrici, molto diffusi soprattutto nei pazienti più giovani.Il trattamento di questi tumori inizia con l’intervento chirurgico finalizzato all’asportazione del tumore con margini ampi. Ciò implica spesso il sacrificio dei tendini, muscoli e legamenti con conseguenza diretta sulla stabilità e sulla funzione del segmento in questione. La successiva ricostruzione diviene quindi fondamentale. Per garantire una buona qualità della vita al paziente di normasi impiantano protesi sostitutive della parte asportata che, diversamente dalla ortopedia tradizionale, hanno una difficoltà in più: sono sempre differenti in forma e dimensione in quanto a sostituzione di una “forma tumorale” che chiaramente non è standard.

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Presso gli Istituti Fisioterapici Ospitalieri di Roma, e precisamente presso la UOC Ortopedia Oncologica dell’Istituto Nazionale Tumori Regina Elena, diretto dal Prof. Roberto Biagini, è iniziata l’attività di realizzazione e installazione di protesi custom made.

L’approccio alla ricostruzione custom made della protesi

Il tumore dell’osso è un tumore raro ma spesso estremamente aggressivo, sia localmente sia a distanza, a causa della sua rapida diffusione ematica. La sua cura richiede un approccio multidisciplinare con il coinvolgimento di diverse figure di specialisti che operano presso i centri di eccellenza oncologici come il reparto di Ortopedica Oncologica dell’Istituto Regina Elena in Roma che si occupa di ricerca, diagnosi e cura delle malattie tumorali, primitive e secondarie, dell’apparato muscolo-scheletrico sia del paziente adulto sia del bambino.

Presso l’istituto sono disponibili le più moderne tecniche chirurgiche sia per l’intervento di asportazione del tumore sia per la conseguente ricostruzione: tra queste, grazie all’applicazione di tecnologie innovative, è oggi possibile la produzione di protesi “su misura”, cioè costruite direttamente sulla specifica anatomia del paziente e sulla previsione di quella che sarà l’anatomia ossea stessa dopo l’asportazione del tumore.

Uno dei principali problemi nelle ricostruzioni complesse è adattare dei sistemi di ricostruzione standard all’anatomia del singolo caso. Questo fa si che molto spesso i risultati non siano all’altezza delle aspettative. Lo sviluppo delle tecniche di stampa 3D permette di ovviare a questo problema consentendo di stampare delle protesi in titanio, custom-made e quindi adattate al singolo paziente, teoricamente per tutti i segmenti corporei.

La tecnica

Il processo di realizzazione delle protesi ha inizio da un’immagine CT (Tomografia Assiale Computerizzata) del sito tumorale, dalla quale si ottiene una visualizzazione tomografica del sito anatomico. Grazie a particolari software di elaborazione delle immagini, è possibile isolare digitalmente il tumore osseo dai tessuti circostanti quali muscoli, pelle o grasso, ed ottenere delle immagini tridimensionali segmentate del volume tumorale che verrà reciso e sostituito con la protesi. Nel definire i margini di resezione viene considerato che, nel periodo di realizzazione della protesi, si potrebbe incorrere in un’espansione del tumore, per questo motivo i margini vengono sempre sovrastimati. Prima della stampa viene effettuata una simulazione virtuale dell’asportazione del tumore e del fissaggio della protesi nel sito tumorale.A partire dalle immagini segmentate vengono quindi realizzate le protesi in titanio, grazie alla progressiva sovrapposizione di strati stampati che vengono fusi tra di loro. È quindi possibile realizzare materiali a porosità controllata combinati con parti solide che forniscono alla protesi un’ottima capacità di osteointegrazione nelle fasi successive all’intervento.

L’installazione della protesi in seguito alla resezione

La tecnica di fissaggio della protesi deve essere studiata di volta in volta su ogni paziente. La difficoltà della tecnica sta nel riuscire a riprodurre perfettamente i margini progettati sulla CT preoperatoria e sulla base dei quali è progettata la protesi. A tal fine vengono utilizzate delle guide di taglio che, adattandosi perfettamente alla specifica anatomia del paziente, permettono di eseguire un taglio univoco. La protesi, una volta adagiata, viene fissata in maniera diversa, con viti, dadi, e fittoni di vario genere, all’osso del paziente che dovrebbe progressivamente aderire ad essa secondo un principio già sfruttato nelle protesi tradizionali che si usano comunemente nell’ortopedia tradizionale.

Ciò consenteimportanti vantaggi per il paziente tra cui un migliore ripristino dell’anatomia, non essendo più necessario adattare degli innesti ossei da donatore, una migliore ripresa funzionale e una maggiore resistenza al carico dovuta alla migliore distribuzione delle forze garantita dall’adattabilità dell’impianto.

I casi fino ad ora trattati agli IFO – Istituto Nazionale Tumori Regina Elena di Roma

L’Ortopedia Oncologica IRE ha finora eseguito tre casi di ricostruzione con protesi in titanio custom-made

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– Una ricostruzione di emibacino, dopo resezione di un voluminoso condrosarcoma che inglobava la metà prossimale del femore omolaterale e la porzione anteriore delle pelvi in una donna di 58 anni;

– Una ricostruzione di scapola, dopo resezione di un voluminoso condrosarcoma che comprendeva la porzione articolare, in una ragazza di 35 anni;

– Una ricostruzione del tarso del piede di un ragazzo di 13 anni, necessaria per ristabilire la continuità ossea dopo asportazione di una sarcoma di alto grado.

Altrettanti casi sono attualmente in progettazione e si prevede che nei prossimi anni questa tecnica verrà sempre più in aiuto del medico e del paziente.

I vantaggi delle stampanti 3D nel contesto biomedicale, sono dati dalla libertà di produrre prodotti realizzati su misura del paziente. Oltre alle protesi “personalizzate”, la stampa in Titanio 3D consente la realizzazione di strumenti dedicati alla sala operatoria per la risoluzione di casi più particolari e complessi. Sono state realizzate delle particolari frese tubulari che sono state utilizzate per la rimozione di un tumore nel ginocchio di una ragazza di 28 anni.

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Tale tecnologia, anche in funzione dei costi, è dedicata per ora solo aicasi più particolari come ad esempio la ricostruzione di segmenti complessi quali il bacino o la scapola, ovvero in quei casi in cui non sono disponibili le protesi modulari che normalmente si utilizzano in ortopedia oncologica, ma anche per la ricostruzione dopo resezione di più segmenti ossei complessi come ad esempio può accadere nel piede.

La possibile integrazione con la chirurgia robotica e la navigazione computerizzata, tecnologie disponibili all’IRE, per le quali esistono programmi di sviluppo e ricerca, renderà tale tecnologia sempre più affidabile e precisa con un diretto vantaggio per il paziente.

Il nostro istituto tuttavia non è l’unico dove è attualmente disponibile tale tecnologia; ricordiamo gli Istituti Ortopedici Rizzoli di Bologna, l’Istituto Ortopedico Galeazzi e il Gaetano Pini di Milano e il CTO di Firenze e di Torino.

  • Rengier, Mehndiratta, von Tengg-Kobligk, Zechmann C. M., Unterhinninghofen R., Kauczor U., Giesel F.L., “3D printing based on imaging data: review of medical applications”,  International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Vol. 5, Issue 4 (335-341), July 2010
  • Foto gentile concessionedella UOC OrtopediaOncologicadegli IFO di Roma.