Utilizzo della scansione e della stampa 3D per aiutare i bambini con malformazioni dell'orecchio

Il Dott. Ken Stewart del Royal Hospital for Sick Children di Edimburgo utilizza  uno scanner 3D Artec Spider per catturare con precisione la geometria delle orecchie e per realizzare impianti per pazienti affetti da microzia, una condizione patologica congenita alle orecchie.

Ogni anno più  di 100.000 bambini sono accolti al Royal Hospital for Sick Children (noto anche come “The Sick Kids”). Ubicato ad Edimburgo, le sue strutture accolgono bambini come Ellie che soffre di una malformazione congenita della cartilagine elastica dell'orecchio. I medici la definiscono come "microzia", un termine medico che tradotto dal latino significa "esiguità anomala dell'orecchio". Per alcune persone con tale condizione, il padiglione auricolare (o orecchio esterno) può essere così piccolo da sembrare praticamente come non esistente. E a causa del sottosviluppo sia dell'orecchio medio che del canale esterno, la microzia viene spesso accompagnata da una compromissione dell'udito. Con 1 su 6.000 bambini nati con questa condizione, almeno 10 giovani pazienti della Scozia hanno un problema simile a quello di Ellie. E questo solo in Scozia in un solo anno.

Ingresso del Royal Hospital for Sick Children.

Jerr Clapperton, infermiere professionale specializzato, che utilizza l'Artec Spider per scansionare l'orecchio di Ellie nell'Artec Studio.

Fortunatamente Edimburgo è dove risiede Ken Stewart, che oltre al suo lungo elenco di altri incarichi professionali, è a capo del Servizio di Ricostruzione locale scozzese dell'orecchio. Là egli ha trovato modalità di messa a punto per effettuare la chirurgia ricostruttiva sia sui bambini sia sugli adulti affetti da malformazioni all'orecchio.

Ken Stewart, clinico capo del Sistema Sanitario Nazionale a capo del Servizio di Ricostruzione per l'orecchio. Ken Stewart che esamina un paziente.

Da diversi anni Ken ha impiegato un numero di tecniche per approssimare le diverse progettazioni poco dirette delle orecchie dei suoi pazienti. Il metodo più popolare è prendere della cartilagine dalle costole dei pazienti così da creare una forma dell'orecchio. A volte egli pratica o insegna utilizzando altri materiali quali la cera, il silicone o persino utilizzando delle mele. “Amo fare le orecchie,” afferma durante un'intervista apparsa su The Scotsman. Nel 2014 ha iniziato a cercare soluzioni di imaging 3D in uno sforzo volto a semplificare la procedura preoperatoria per le ricostruzioni dell'orecchio. Ken ammette quanto segue "Con  tutta la tecnologia a nostra disposizione dobbiamo migliorare questo flusso di lavoro. Il team di ricostruzione dell'orecchio presso il Royal Hospital for Sick Children era desideroso di trovare nuove tecnologie di aiuto." Sebbene il Sistema Sanitario Nazionale Lothian dove si trova Ken aveva già iniziato a utilizzare sistemi di imaging 3D per progettare protesi agli arti e condurre esami medici, essi volevano migliorare i dettagli delle orecchie ricostruite.

Fu allora che Ken ha deciso di rivolgersi al partner sicuro del Regno Unito Artec Patrick Thorn & Co.. Partendo dalla sua vasta esperienza nella progettazione e  nuova progettazione delle protesi e impianti all'orecchio, Ken era rimasto scettico sul fatto che scanner innovativi Artec potessero effettivamente riprodurre a livello 3D l'orecchio umano. Per dimostrare a Ken il contrario, Patrick ha deciso di produrre una gamma di repliche campione per dimostrare le capacità di imaging ad alta risoluzione di Artec. Patrick si è organizzato per farsi scansionare le orecchie dei suoi vicini e di suo nonno. Seguendo alcune soluzioni di imaging con l'aiuto del Software Leios Elaboration Scanning di EGS, egli ha ordinato i campioni stampati con la stampante 3D Roland ARM-10. Entusiasmato dai risultati, Ken e il suo team sapeva che essi dovevano avere un Artec Spider – uno scanner 3D ad alta risoluzione che è ben adatto per catturare immagini di superfici più profonde all'interno del condotto uditivo così come intorno all'orecchio e alla testa.

Modifiche fatte utilizzando Leios.

Correzioni di prestampa presso la Roland.

Grazie agli sforzi di successo per la raccolta fondi della fondazione chiamata Sick Kids Friends Foundation, il Royal Hospital for Sick Children ha acquistato un Artec Spider. E' stato installato in un solo pomeriggio, ed il giorno dopo si è iniziato con la formazione pratica. Ken rileva quanto segue:  "Iniziare con la scansione esterna 3D era cosa nuova per noi e siccome abbiamo dei programmi intensi con i pazienti quotidianamente, ha comportato un po' di tempo per perfezionarlo. Ad ogni modo, con la formazione e gli ulteriori appunti forniti da Patrick, ora possiamo utilizzare la soluzione dalla scansione alla stampa 3D con relativa facilità. Il modello viene poi sterilizzato e utilizzato in sala operatoria per migliorare la precisione della nostra ricostruzione chirurgica."

L'integrazione di Artec Spider all'interno della pratica di ricostruzione ha  sia semplificato e sia sistemizzato il processo di costruzione dell'orecchio. Una volta concluso il consulto iniziale con i pazienti, essi ritornano all'ospedale per farsi scansionare l'orecchio sano. Nel caso di Ellie, dal momento che lei è stata diagnosticata una microzia bilaterale (vale a dire che entrambe le orecchie sono interessate), si è deciso invece di sottoporre a scansione le orecchie della sorella che non soffre di microzia. A volte si prende anche come riferimento un'immagine dell'orecchio colpito. Durante la scansione, Artec Spider lavora nel catturare con estremo dettaglio la struttura complessa dell'orecchio esterno e poi esplora in profondità nel canale dell'orecchio, raccogliendo ulteriormente preziosi dati visivi. In seguito le immagini vengono caricate all'interno di Artec Studio, dove vengono rapidamente allineate, e unite per costruire un modello digitale 3D dell'orecchio di grande effetto.

Durante lo stadio di ritocco, Leios viene utilizzato per controllare la superficie dell'orecchio, rimuovere ogni altro elemento non necessario e permettere lo spessore cutaneo applicando una compensazione interna.  Una volta finalizzate tutte le modifiche strutturali e cosmetiche, l'immagine risultante  viene riflessa. Poi successivamente viene inviato un file elettronico contenente le immagini attraverso un drive condiviso ad un laboratorio e caricato sul software di stampa Roland MonoFab, nel quale vengono eseguiti gli allineamenti. Quello che resta da fare è premere "Go" per avviare la stampa 3D.

Jeff Millar, Consulente protesista maxillofacciale, che prepara un orecchio per la stampa 3D su un Roland MonoFab.

Il risultato della stampa.

Dopo circa tre ore le orecchie riprodotte vengono irradiate dalla stampante 3D dopo essere state lavate in isopropanolo. E per alcuni minuti vengono lasciate ferme sotto una lampada UV per indurirsi nella loro forma. Vengono poi sterilizzate, sigillate e inviate in sala operatoria per servire quali modelli 3D per la ricostruzione dell'orecchio.

Si potrebbe dire che la ricostruzione dell'orecchio si è sviluppata lentamente (anche se in maniera stabile) negli ultimi quaranta anni che i chirurghi plastici cercano di perfezionarla. E' iniziata negli anni '70 con dei chirurghi che estraevano cartilagine dalle costole che poi veniva usata quale base tessutale per la ricostruzione dell'orecchio. In quel tempo, un tracciamento in carta 2D dell'orecchio normale aiutava a guidare il chirurgo a formare la cartilagine estratta in una parvenza dell'orecchio futuro del paziente. Ma tale modello grafico serviva semplicemente quale approssimazione. Ma ad ogni modo le complesse dimensioni dell'orecchio richiedono soltanto precisione. Con l'aiuto di soluzioni avanzate di imaging da Artec3D, chirurghi come Ken possono essere rassicurati che non dovranno mai approssimare modelli per protesi e impianti che essi creano, specialmente quando i loro pazienti sono bambini come Ellie.

Andando avanti, il team sta collaborando con il Centro di Medicina Rigenerativa dell'Università di Edimburgo, dove il Professore Bruno Peault e il Dott. Chris West hanno isolato con successo delle cellule staminali dell'uomo dal grasso. Queste cellule staminali purificate dono state provate su una biblioteca di 10.000 polimeri approvati dalla FDA. Il Dottor West ne ha identificato parecchi con cui le cellule staminali si fisseranno. Le cellule poi possono essere portate a produrre cartilagine sulla superficie del polimero. La speranza è che abbinando la tecnologia di scansione Artec 3D alla tecnologia dell'ingegneria dei tessuti e a un po' di liposuzione, sarà possibile produrre delle vere repliche di immagine speculare dell'altro orecchio, che può essere impiantato e quindi evitare la necessità di utilizzare la cartilagine della costola.

Orecchio stampato 3D di Ellie da una scansione effettuata con Artec Spider.

L'orecchio da vicino.

Dal momento che la tecnologia e le competenze sono in continuo aumento presso il Lohian NHS, lo staff e i pazienti del Royal Hospital for Sick Children non vedono l’ora di trasferirsi presso la nuova sede costruita appositamente presso Little France, Edimburgo, nell'autunno del 2017, in cui continuerà ulteriore lavoro correlato a 3D.

Un grazie particolare a Ellie e sua mamma per averci premesso di condividere questa storia di successo.