Presentazione dei modelli stampati in 3D

Nel presente capitolo verranno presentati i modelli 3D che sono stati realizzati durante i mesi di tirocinio svolti presso l’ospedale Humanitas. In particolare, si illustrerà il contesto di applicazione dell'oggetto in esame e il suo principio di funzionamento, oltre al processo di realizzazione del modello, dalla fase di progettazione, fino alla fase di stampa.

Cestello porta vetrini

Il primo esempio preso in considerazione è il cestello porta vetrini che viene utilizzato nel reparto di Anatomia Patologica. Il cestello porta vetrini viene impiegato dagli anatomopatologi per adagiare i vetrini su cui sono posizionati i campioni di materiale istologico, precedentemente sezionato tramite un microtomo, all’interno di un coloratore automatico. L'iter procedurale nei laboratori di anatomia patologia prevede infatti che i vetrini subiscano una fase di colorazione, per poter poi essere esaminati al microscopio. I tessuti animali sono nella maggior parte dei casi incolori, in quanto costituiti in gran parte di acqua, e trasparenti, tanto da risultare pressoché invisibili al microscopio ottico. Sono state

Figura 24.Bobine di filamenti.

62 perciò scoperte una serie di sostanze coloranti, capaci appunto di colorare le cellule, o le diverse parti di una cellula, in modo da renderle immediatamente visibili e distinguibili.

Affinché ciò avvenga, i vetrini, adeguatamente sistemati nei cestelli porta vetrini, vengono inseriti nei coloratori automatici. Il coloratore automatico per ematologia è un macchinario che permette la colorazione di campioni anatomici, atta a differenziare la morfologia delle cellule in essi contenuti, permettendo una ottimale standardizzazione della colorazione ed eliminando completamente tutte le variabili di una colorazione manuale. Tale apparecchiatura permette una individuazione capillare delle cellule tumorali, diminuendo drasticamente le tempistiche della diagnosi per una immediata cura del paziente³⁷. I vetrini sono dunque inseriti nel coloratore con dei cestelli che fungono da supporto ai vetrini stessi.

Per questo motivo il cestello porta vetrini è un dispositivo essenziale e di uso continuo nel laboratorio di anatomia patologica. Per poter effettuare correttamente le analisi e non rischiare l’interruzione del processo di indagine è fondamentale avere dei porta vetrini sempre a disposizione, e in caso di rottura o deterioramento dell’oggetto, è altresì indispensabile avere dei pezzi di ricambio prontamente a disposizione. Per questa serie di motivi la stampante 3D gioca un ruolo molto importante: se i cestelli porta vetrini sono stampati in 3D, è possibile assicurare una fornitura costante di questi strumenti.

Per realizzarli si sono susseguiti una serie di passaggi:

• Innanzitutto, si sono prese le misure del cestello che si adopera solitamente in anatomia patologica (Figura 25); per ottenere una maggiore precisione, questa fase è avvenuta tramite l’ausilio di un calibro.

Figura 25.Modello originale del cestello porta vetrini.

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• Successivamente, basandosi sulle quote dello strumento originale, è stato possibile riprodurre il modello digitale del cestello tramite il software CAD Inventor.

Sfruttando i numerosi tools offerti dal programma, si ottiene un modello fedele a quello originario, come si evince dalla figura sottostante (Figura 26).

• In seguito, il modello è sato esportato in formato .stl, così da poter essere letto dal software di slicing Cura (Figura 27).

Figura 26.Modello del cestello porta vetrini riprodotto su Inventor.

Figura 27.Modello del cestello porta vetrini in formato .stl.

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• Infine, è stata fatta avviare la fase di stampa che, in circa quattro ore di lavoro, ha dato vita al cestello porta vetrini stampato in 3D.

Dalle immagini sopra riportate (Figura 28) appare evidente la fedeltà con cui è stato riprodotto il cestello: il modello stampato può essere un ottimo sostituito del cestello fino ad ora acquistato.

Cubetto di fissazione di Lang

Il secondo esempio di applicazione della stampante 3D come supporto alle attività cliniche è rappresentato dal cubo per oculisti, più specificamente “cubetto di fissazione di Lang”.

Questo dispositivo, ideato dal Professor Joseph Lang, viene utilizzato in ambito pediatrico per la rilevazione della stereopsi. La stereopsi è la percezione visiva binoculare delle tre dimensioni, determinata dalla fusione di segnali provenienti da punti retinici disparati³⁸. In altre parole, si parla di stereopsi quando la parte del singolo campo visivo monoculare dell'occhio destro può sovrapporsi alla stessa parte visibile anche dal singolo campo visivo

Figura 28.Cestelli porta vetrini stampati in 3D rappresentati da diverse inquadrature.

65 monoculare dell'occhio sinistro, formando appunto una singola immagine binoculare. È utile per la percezione dello spazio tridimensionale e quindi per:

• Giudicare la distanza, ovvero quanto distante è un oggetto da un punto di riferimento, esprimendo la misura in unità assolute;

• Giudicare la profondità, ossia valutare la vicinanza relativa di due oggetti tra loro o l’intervallo di profondità relativa tra due o più punti nello spazio;

• Partecipare al riconoscimento di oggetti solidi³⁹.

Per questa serie di motivi è molto importante verificare il livello di collaborazione esistente fra gli occhi di un soggetto, specialmente in età infantile: tramite dei test per lo screening di difetti della visione stereoscopica, è possibile cogliere eventuali disturbi della vista dei bambini e, in caso, agire preventivamente per ridurre possibili malattie future, quali strabismo o perdita della visione da un occhio⁴⁰. I test eseguiti sono i Lang Stereotest, di cui ne esistono due tipi: il Lang Stereotest I è una tavola nella quale le immagini (un gatto, una stella e un'automobile) sono situate dietro una fitta serie di piccoli cilindri trasparenti che funzionano a modo di doppi prismi, in modo da deviare verso il corrispettivo occhio la parte della figura ad esso destinata. In visione monoculare questi stereogrammi non rivelano alcun contorno, mentre in visione binoculare le aree che producono una disparità orizzontale vengono viste in rilievo. Il Lang Stereotest II differisce dall’uno riguardo agli oggetti tridimensionali da riconoscere, che in questo caso sono una luna, un camion e un elefante, e per il fatto che una figura è sempre visibile, anche in modalità monoculare⁴¹.

Al fine di svolgere un’analisi più completa ed accurata, è possibile adoperare anche il cubetto di fissazione di Lang: questo strumento serve appositamente per attirare l'attenzione dei bambini e favorire il mantenimento della fissazione. Per questo motivo alcuni oculisti si sono rivolti al Servizio di Ingegneria Clinica di Humanitas, facendo richiesta del cubetto. Si è però pensato di provare a realizzare tale strumento con l’ausilio della stampante 3D, modificando il tradizionale processo di acquisizione, che prevede di rivolgersi a fornitori esterni. Tramite l’utilizzo della stampante 3D e dei software ad essa annessi, è stato possibile riprodurre la bacchetta di fissazione, in modo da adottarla durante le future visite oculiste pediatriche svolte presso l’ospedale. Il processo con cui si sono realizzate le bacchette è il seguente:

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• Con il contributo del medico oculista sono state individuate la forma e le dimensioni della bacchetta;

• Si è creato il modello 3D con il software Inventor (Figura 29);

• Il modello è stato esportato in formato .stl e successivamente processato sul software Cura;

• Una volta impartiti i parametri di stampa, è stata avviata la stampa.

Dopo circa un’ora di lavoro della stampante il cubetto di fissazione realizzato era fedele alle aspettative dei medici; era quindi pronto per l’uso e il modello CAD era riutilizzabile per effettuare altre stampe di cubetti (Figura 30).

Figura 29.Modello del cubetto di fissazione riprodotto su Inventor.

Figura 30.Cubetto di fissazione stampato in 3D.

67 Porta guanti

I porta guanti sono un ulteriore esempio di come la stampante 3D possa essere declinata all’interno del Servizio di Ingegneria Clinica di un ospedale, anche in tempi di emergenza sanitaria. Durante la crisi sanitaria registrata durante i primi mesi del 2020 a causa dell’epidemia di Sars-Covid 19, si sono presentate molte difficoltà all’interno delle strutture ospedaliere, in gran parte legate:

• Alla difficoltà di reperire i Dispositivi di Protezione Individuale (DPI),

• Alla ricerca di soluzioni per limitare la diffusione della malattia infettiva.

Gli ospedali, adattandosi alle possibilità del mercato di fornire i DPI, si sono attrezzati adottando una serie di strategie organizzative per ridurre la circolazione del virus.

Per quanto concerne i guanti monouso, riconosciuti come DPI, per far sì che siano collocati correttamente all’interno di tutti gli spazi dell’ospedale, è consuetudine adottare i porta guanti. Questi sono dei dispenser montati a muro che facilitano l’erogazione dei guanti garantendo un ottimo livello di igiene, dal momento che il personale sanitario può prelevare i guanti monouso direttamente dall’apertura della scatola, senza far presa sull’involucro in cui sono contenuti. Ciò contribuisce a ridurre la possibile diffusione di malattie infettive.

Durante i mesi di emergenza sanitaria Humanitas si è rivolto a diversi fornitori per assicurarsi un rifornimento costante di guanti monouso. Naturalmente i guanti venivano consegnati nel loro packaging, che mutava da fornitore a fornitore, ed era di dimensioni differenti a seconda della taglia dei guanti. Per questo motivo difficilmente le scatole dei guanti erano compatibili con i dispenser già presenti in struttura. Si è dunque pensato di realizzare un modello 3D del porta guanti, adattabile a tutte le dimensioni delle scatole acquistate dai vari fornitori e che potesse accomodare qualsiasi confezione di guanti monouso.

68 Per realizzare il modello per prima cosa si sono prese le misure delle dimensioni di differenti formati di scatola di diversi fornitori, in modo da avere una media delle grandezze.

Successivamente si è pensato di realizzare una struttura “a gradini” che potesse accomodare qualsiasi dimensione dei contenitori: gradini più bassi per i contenitori più piccoli, gradini più alti per quelli dalle dimensioni maggiori. Il modello è stato creato sul software CAD Inventor (Figura 31).

In seguito è stato convertito in formato .stl e infine, dopo essere stato processato sul software Cura, è stata avviata la stampa. Dopo circa tre ore di lavoro il porta guanti era pronto e la stampante disponibile per far partire un'altra stampa (Figura 32).

Figura 31.Modello CAD dei porta guanti.

Figura 32. Modello del porta guanti stampato in 3D.

69 Raccordo del circuito della CPAP

Durante i mesi di crisi sanitaria causati dall’epidemia di Sars-Covid 19 un’altra delle maggiori difficoltà che gli ospedali italiani hanno dovuto fronteggiare è stata la carenza di dispositivi di ventilazione polmonare, fondamentali per agevolare la respirazione dei pazienti colpiti dal virus. Quando un paziente soffre di insufficienza respiratoria, gli approcci terapeutici possono essere di due tipi, a seconda dalla gravità delle condizioni del paziente:

si distinguono metodi invasivi e metodi non invasivi. La ventilazione invasiva è una tecnica piuttosto delicata, che si applica quando i pazienti non sono in grado di respirare da soli e vengono sedati; la miscela di aria e ossigeno viene insufflata nei polmoni attraverso un tubo endotracheale oppure con una cannula tracheostomica. I metodi non invasivi, invece, presuppongono l’uso di maschera facciale, nasocannula o casco. Un esempio di ventilazione non invasiva è rappresentato dal sistema CPAP, acronimo inglese di Continuous Positive Airways Pressure, terapia facente parte del protocollo di emergenza e adottata per contrastare i sintomi del Coronavirus. La CPAP consiste nell’insufflazione di aria e ossigeno a pressione positiva in modo continuo e non invasivo per tutta la durata del ciclo respiratorio del paziente. Sostiene la forza muscolare del paziente, che da solo non sarebbe in grado di completare un atto respiratorio con un volume corrente di aria inspirata sufficiente. Può essere erogata tramite maschera (facciale o nasale), casco, generatore per alti flussi o con un ventilatore polmonare. L’utilizzo della CPAP permette di prevenire il collasso alveolare, migliora l’ossigenazione, riduce il lavoro espiratorio, riduce la soglia per l’inizio del drive respiratorio, controlla l’edema polmonare cardiogeno, migliora le funzioni cardiache e la tachicardia⁴². Il presidio fondamentale per un efficace utilizzo della CPAP è il filtro Iso-Gard, un filtro antibatterico e antivirale, con filtrazione di tipo elettrostatica, che impedisce lo scambio degli agenti patogeni. La CPAP infatti non è progettata per malattie infettive, ma in tempi di crisi sanitaria si è dimostrata essere un dispositivo medico indispensabile per salvaguardare la vita di molti pazienti affetti da Covid-19. Il filtro, comunemente usato nei sistemi ventilatori e nei circuiti respiratori, ha l’obiettivo di ridurre la contaminazione biologica dell’ambiente, proteggendo così i pazienti, le apparecchiature, l’ambiente e gli operatori sanitari da contaminazioni incrociate⁴³. Ciò perché, come si evince dalla figura

70 sottostante (Figura 33) il circuito della CPAP è caratterizzato da un unico tubo monodirezionale, che non prevede la fuoriuscita di espirato filtrato.

Contestualmente alla CPAP si inserisce la stampa 3D: in Humanitas il SIC ha messo a punto un sistema che permette di venire incontro alla carenza di dispositivi per la ventilazione meccanica tramite l’ausilio della stampante 3D. In particolare, ha sviluppato un raccordo per collegare la maschera o il casco CPAP al filtro Iso-Gard e per far sì che l’aria espirata dai pazienti affetti da Covid-19 e rilasciata nell’ambiente circostante fosse priva di impurità. La funzionalità del raccordo è quella di adattare il filtro ai dispositivi CPAP, dal momento che questi ultimi sono costituiti da un circuito con tubo monodirezionale.

Per realizzare il raccordo inizialmente si è creato il modello 3D tramite Inventor, basandosi sulle dimensioni del filtro e del tubo della CPAP, il quale ha un diametro di 22 mm, che corrisponde alla misura standard di tutti i circuiti respiratori. Il modello digitale è stato poi convertito in formato .stl e successivamente letto dal programma Cura, dove sono stati impartiti i parametri di stampa. Dal momento che tale oggetto è di dimensioni piuttosto ridotte, è possibile ottimizzare il processo di stampa, riproducendo contemporaneamente fino a ventisette raccordi. Nella figura sotto riportata (Figura 34) è visibile il posizionamento del raccordo tra il filtro e il tubo monodirezionale.

Figura 33.Circuito di funzionamento CPAP

71 Prima di essere inserito nel circuito, il raccordo viene sterilizzato per eliminare qualsiasi forma di microorganismo e prevenire possibili infezioni (Figura 35).

Figura 35.Raccordo filtro-tubo monodirezionale.

Figura 34.Modello del raccordo stampato in 3D e successivamente sterilizzato.

72 Ganci porta telecomando

Un'altra interessante applicazione riguardo alla stampa 3D è quella relativa alla realizzazione dei ganci dei telecomandi o pulsantiere dei letti ospedalieri. I telecomandi regolano le possibili posizioni che può assumere un paziente adagiato su un letto. Servendosi dei seguenti pulsanti di posizione si può modificare l’altezza delle varie parti che compongono il letto, oltre che richiamare le posizioni terapeutiche e di sicurezza preimpostate, quali:

• La posizione CPR (Rianimazione Cardio-Polmonare), adatta alla rianimazione del paziente in caso di emergenza;

• La posizione sedia cardiaca, specifica per i pazienti affetti da aritmia cardiaca e problemi respiratori;

• La posizione Trendelenburg, che contribuisce a creare le condizioni anti-shock al paziente;

• La posizione visita, adatta per visitare il paziente, eseguire un trattamento o spostarlo ad un altro letto⁴⁴.

È dunque buona norma avere il telecomando correttamente agganciato alle sponde laterali del letto, per far sì che non sia d’intralcio né per il medico né per il paziente, ma sia sempre a disposizione per un suo utilizzo immediato.

I ganci sono parti integranti del telecomando, ma può capitare che a lungo andare perdano le loro proprietà funzionali, poiché potrebbero allentarsi o addirittura rompersi, non garantendo più adesione al letto. In questi casi se il telecomando è ancora funzionante, non avrebbe alcuna giustificazione cambiarlo, ma basterebbe trovare un gancio in sostituzione a quello deteriorato. Non sempre però i fornitori riescono a venire incontro alle richieste delle strutture ospedaliere e spesso l’unica alternativa possibile è comprare dei nuovi dispositivi.

Nel caso di Humanitas l’azienda che aveva fornito i telecomandi non distribuisce i ganci singolarmente, dal momento che li produce solo integralmente al telecomando e non separatamente. Per ovviare a questa situazione e per sfruttare i telecomandi ancora funzionanti, il SIC ha pensato di creare un modello tridimensionale del gancio, che si adattasse alle pulsantiere e che fosse quindi realizzato internamente all’ospedale. Per realizzarlo, si sono prese le misure del gancio originario, è stato riprodotto il modello sul

73 software CAD Inventor e, una volta convertito in formato .stl, è stato processato da Cura. In seguito, si è avviata la fase di stampa e, dopo circa di un’ora di lavoro della stampante, il gancio era pronto ed è stato subito utilizzato per sostituire i vecchi ganci danneggiati.

Nella figura sottostante (Figura 36) è riportato il gancio stampato in 3D correttamente inserito nel telecomando.

Modello della lingua

La stampante 3D in Humanitas è usata anche a livello clinico, per supportare l’attività di medici e chirurghi durante la fase di diagnosi di alcune malattie. Un esempio di utilizzo della stampante 3D a supporto dell’attività clinica è costituito dal modello 3D della lingua di pazienti aventi carcinoma del pavimento orale. Per arrivare alla diagnosi di tale patologia è necessaria la biopsia della lesione, che è finalizzata al prelievo da parte del chirurgo di materiale macroscopicamente sospetto, che verrà successivamente analizzato e studiato dall’anatomopatologo⁴⁵. È dunque evidente che una corretta diagnosi istologica scaturisca

Figura 36.Gancio porta telecomando stampato in 3D.

74 obbligatoriamente da una stretta interazione tra il clinico e il patologo. Possibili cause di errori interpretativi nella valutazione diagnostica istologica sono:

• L’invio del materiale al patologo da parte del clinico senza un corretto orientamento e trattamento del prelievo;

• La mancata trasmissione delle notizie cliniche e anamnestiche.

È quindi di fondamentale importanza che entrambi gli specialisti parlino un linguaggio comune, attenendosi a procedure condivise e standardizzate⁴⁶. In questo scenario si inserisce la figura dell’ingegnere clinico, ovvero colui che si relaziona con il personale medico, cercando di capire i suoi bisogni e provando a risolverli, introducendo soluzioni innovative che si sostituiscano alle pratiche tradizionali. Per questo motivo sono stati realizzati i modelli 3D della lingua dei pazienti con carcinoma, in modo da supportare l’attività di chirurghi e di anatomopatologi durante la fase di escissione ed analisi del pezzo anatomico. Il processo di realizzazione del modello della lingua prevede una serie di fasi, di seguito elencate:

• Sono stati importati i file contenenti la TC della lingua del paziente su ITK-SNAP, software in grado di leggere il formato DICOM e che permette di ricostruire in 3D le immagini medicali; una volta selezionato il distretto anatomico di interesse, è stata fatta partire la segmentazione e si è ottenuto il modello digitale della lingua.

• Successivamente il modello è stato convertito in formato .stl e inviato al software Cura, da cui è stata impartita la stampa.

Nell’immagine sottostante (Figura 37) si può vedere il modello stampato a 3D, ottenuto dopo circa tre ore di attività della stampante.

75 Modello della mandibola

Fra i vari campi di applicazione della stampa 3D vi è anche l’ambito odontoiatrico, dove questa innovazione permette di coadiuvare il lavoro dei medici in diverse situazioni. In particolare, esaminando il ramo della chirurgia maxillo-facciale, vi sono delle tipologie di intervento la cui procedura operatoria prevede di effettuare dei tagli ossei a livello mandibolare, più specificatamente delle osteotomie. Ciò richiede la presenza di dime di taglio che fungano da guida per effettuare i tagli correttamente, ovvero per consentire in sede chirurgica di effettuare l’osteotomia in corrispondenza del distretto anatomico d’interesse.

Tramite la progettazione 3D è possibile programmare e realizzare l'intervento valutando in modo esatto la situazione dell'osso su cui si dovrà intervenire.

Questo primo stadio di intervento è generalmente seguito dalla fase di fissazione stabile:

tramite il posizionamento di placche a cavallo fra le fratture ossee, è possibile ottenere una fissazione rigida dell’osso. Le placche, realizzate in titanio puro, sono di formato universale e presentano una struttura rigida lineare. Per garantire una buona riuscita dell’intervento, la placca deve essere ben adesa alla superficie ossea, in modo da esserne in contatto nel maggior numero di punti possibili. Per questo motivo la placca deve essere modellata sul profilo del segmento osseo del paziente su cui viene applicata e per farlo si adoperano strumenti come pinze o leve, che consentono di modificarne la configurazione originaria e di riadattarla alla singola situazione in esame. Appare subito evidente come anche in questa

Figura 37.Modello della lingua stampato in 3D rappresentato da diverse inquadrature.

76 situazione un modello 3D della mandibola del paziente possa contribuire alla riuscita dell’intervento: avendo fra le mani il modello 3D della mandibola, i medici possono modificare la struttura della placca a priori e non in sede chirurgica, durante lo svolgimento

76 situazione un modello 3D della mandibola del paziente possa contribuire alla riuscita dell’intervento: avendo fra le mani il modello 3D della mandibola, i medici possono modificare la struttura della placca a priori e non in sede chirurgica, durante lo svolgimento