In un precedente articolo abbiamo parlato della rimozione di un tumore cerebrale avvenuta grazie all’ausilio della stampa 3D. Questo è solo un esempio di come le tecnologie di stampa 3D, sempre più utilizzate per convertire le immagini medicali in modelli tangibili a grandezza naturale dell’anatomia del paziente, potrebbero aiutare a stabilire una strategia pre-operatoria diagnostica in vari contesti clinici. Tuttavia le tecniche attuali danno spesso luogo a modelli anatomicamente imprecisi. Per ovviare a questa problematica, un team della Wyss Institute ha sviluppato una nuova tecnica basata su immagini bitmap.

I risultati sono promettenti: mediante questo metodo è infatti possibile ridurre tempi e costi di produzione dei modelli pur mantenendo un elevato livello di dettaglio. La ricerca è stata pubblicata nella rivista 3D Printing and Additive Manufacturing.

L’ idea del progetto

Stampa 3d bitmap
Credits: James Weaver and Steven Keating/Wyss Institute at Harvard University

La storia della tecnica di cui tratteremo oggi ebbe inizio quando Steven Keating, dottorando al Wyss, dovette subire la rimozione un tumore a livello cerebrale.

A quel tempo Keating aveva 26 anni ed era ancora uno studente e membro del gruppo MIT Media Lab. Spinto dalla curiosità di vedere che aspetto avesse il suo cervello prima dell’operazione, al fine di comprendere ciò che gli era stato diagnosticato, Keating raccolse i dati medici relativi alle sue diagnosi strumentali (MRI e TAC) e iniziò a stamparle in 3D. Keating realizzò che la stampa effettuata era proibitiva non solo in termini economici, ma anche per le tempistiche di realizzazione. Per trovare una soluzione decise di avviare una collaborazione con alcuni membri del Wyss Institute dell’ Harvard University, Ahmed Hosny e James Weaver. L’idea era quella di implementare al sistema diagnostico una nuova tecnica di stampa 3D in grado di convertire le immagini mediche in modo più rapido e con un grado di precisione elevato.

Come viene realizzato il modello 3D

Le scansioni MRI e CT producono immagini ad alta risoluzione effettuando una serie di “slices“, ovvero delle sezioni che rivelano i dettagli delle strutture all’interno del corpo umano. La maggior parte delle stampanti 3D costruisce modelli fisici mediante un meccanismo strato per strato, quindi è possibile alimentarle con strati di immagini mediche per creare una struttura solida.

Le scansioni MRI e CT producono immagini con così tanti dettagli che gli oggetti di interesse devono essere isolati dal tessuto circostante e convertiti in mesh superficiali per poter essere stampati. Questo risultato è ottenuto attraverso un processo di “segmentazione” che consiste nel tracciare manualmente l’oggetto desiderato su ogni singola fetta dell’immagine. In alternativa è possibile ricorrere ad un processo automatico di “soglia” in cui un software converte velocemente i pixel in scala di grigi in pixel neri o bianchi, basasandosi su una sfumatura di grigio che viene scelta come valore di soglia tra bianco e nero.

Tuttavia c’è un problema: i set di dati di imaging medicale contengono spesso oggetti di forma irregolare e privi di confini chiari e ben definiti. Per tale motivo spesso l’auto-soglia e la segmentazione manuale portano all’eliminazione dei dettagli critici della zona di interesse.

L’ uso dei bitmap

La chiave della nuova tecnica sviluppata dal team di Keating sta nella stampa attraverso bitmap retinati, un formato di file digitale in cui ogni pixel di un’immagine acquisita in scala di grigi viene convertito in una serie di pixel in bianco e nero. Le diverse sfumature di grigio sono determinate dalla densità dei pixel neri: più pixel neri sono presenti in una determinata area, più questa risulterà scura. Semplificando tutti i pixel da varie sfumature di grigio in una miscela di pixel bianchi o neri, i bitmap retinati consentono alla stampante 3D di dar corpo ad immagini medicali complesse utilizzando due materiali diversi che conservano tutte le sottili variazioni dei dati originali con maggiore accuratezza e velocità.

Risultati ed applicazioni

I modelli 3D ottenuti hanno riportato fedelmente tutti i dettagli anatomici presenti nei dati delle immagini MRI archiviate.

Il team spera che la combinazione di imaging ad alta risoluzione e stampa 3D contribuisca a rendere quest’ultima uno strumento più praticabile per esami e diagnosi di routine. Il sistema potrebbe garantire una miglior visione del problema per lo staff sanitario e una migliore comunicazione dello stesso ai pazienti.

La capacità di capire cosa sta accadendo dentro di te, di tenerlo nelle tue mani e vedere gli effetti del trattamento, è incredibilmente potente.”

Afferma Keating.

Fonti ed approfondimenti:

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