Stato dell’arte sui phantom

Simulatori di organi e tessuti sono ampiamente utilizzati per simulare interventi chirurgici ma anche per testare nuovi dispositivi medici. Negli ultimi decenni sono stati proposti diversi simulatori di organi e tessuti. Di seguito sono riportati alcuni esempi.

Per simulare il rene è stato realizzato un phantom utilizzando una tecnica che combina la stampa 3D di materiali cerosi e lo stampaggio polimerico (Adams et al. 2017). La morfologia del tessuto è stata ricavata da una scansione TC. I materiali scelti per realizzare il phantom sono materiali soft con modulo elastico comparabile con quello del rene umano (49 kPa). La scansione TC è stata eseguita su reni espiantati da cadaveri entro

le 48 ore dal decesso. A partire dall’elaborazione delle immagini si è realizzato lo stampo per il phantom. Lo stampo, composto da due componenti, è stato realizzato in modo da rendere la superficie del rene liscia. Il silicone utilizzato per realizzare il simulatore di rene è ECOFLEX 00-20, sono stati realizzati inoltre dei phantom anche usando gel di agarosio e PDMS. Un tubo in silicone è stato collegato al phantom di rene per simulare l’uretere Figura 56.

Per confermare che il simulatore fosse, da un punto di vista morfologico, analogo al rene reale è stata eseguita una scansione TC sul phantom che ha confermato che quest’ultimo replicasse fedelmente l’organo. È stata eseguita anche un’acquisizione ecografica per vedere le differenze tra tessuto umano e phantom e anche qui si è potuto notare che si ottenevano risultati simili a quelli del tessuto umano con il phantom. Poiché l’obiettivo della realizzazione del phantom di rene era quello di simulare procedure endoscopiche, dopo aver constatato che il simulatore aveva proprietà simili a quelle del tessuto umano, è stata eseguita una procedura endoscopica usando un ureterorenoscopio e si è osservato che la posizione dello strumento era chiara in ogni momento. I risultati migliori, da questo punto di vista, si sono ottenuti con il phantom in PDMS in quanto dotato di maggiore trasparenza rispetto agli altri.

Figura 56 (A) Stampo per realizzare il phantom di rene; (B) Phantom realizzato con ECOFLEX 00-20 (Adams et al. 2017)

Oltre al phantom di rene appena visto, sono stati proposti numerosi altri simulatori del tratto urinario. Hungr et al. (Hungr et al. 2012) ha sviluppato un phantom di prostata

Sono stati indagati diversi materiali per realizzare il simulatore: agarosio e gelatina sono risultati inadeguati in quanto troppo fragili; il PVA è risultato maggiormente complesso da preparare, il silicone mostrava proprietà acustiche non idonee. Pertanto, si è scelto il PVC che garantisce un buon compromesso tra le proprietà acustiche e meccaniche desiderate. Il phantom è composto da quattro regioni realizzate con PVC con diversa elasticità. L’obiettivo del phantom è quello di simulare perineo, retto, prostata, tessuto periprostatico e uretra. Il perineo rappresenta la prima barriera che incontra l’ago ed è necessario per mantenere la forma del simulatore. Il retto è stato realizzato in modo tale da resistere all’introduzione della sonda, mentre la prostata è realizzata in modo tale da essere visibile sia ad occhio nudo che con immagini ecografiche. Questa è realizzata con una miscela di PVC tale da garantire la deformazione in seguito all’inserimento dell’ago.

Figura 57 Phantom di prostata(Hungr et al. 2012)

Per realizzare il phantom si sono usati due stampi: uno in silicone per la prostata e un box in alluminio con la scanalatura per il retto. Per simulare l’uretra viene inserito un tubo nello stampo prostatico. Per valutare se il phantom riproducesse effettivamente le proprietà del tessuto umano sono state eseguite delle prove di compressione, usando il macchinario GABO EPLEXOR, sia su campioni di tessuto umano che su varie miscele di PVC. Inoltre, sono state valutate le proprietà meccaniche del PVC anche a distanza di 11 giorni dalla prima prova per valutare se il materiale rimaneva stabile nel tempo. Con i

materiali utilizzati si sono ottenute sia buone proprietà meccaniche sia buone proprietà acustiche che hanno consentito di utilizzare il simulatore per testare un nuovo sistema di brachiterapia.

Sempre tra i phantom che simulano il tratto urinario rientra un simulatore di vescica utile per valutare sistemi OCT innovativi (Lurie et al. 2014). La vescica è composta da 4 strati, ma solo 3 visibili all’OCT: urotelio, tonaca muscolare, lamina propria. I tre strati sono stati realizzati con PDMS 20:1 (Sylgard 184) e per simulare la diffusione ottica dei tre strati sono state disperse nel PDMS particelle di 𝑇𝑖𝑂4. Per ottenere una struttura

stratificata si sono assemblati stampi, di varie dimensioni, uno dentro l’altro. Questi sono stati realizzati in ABS, che non interferisce con il PDMS durante la polimerizzazione, mediante stampaggio 3D. Il primo strato di silicone è stato colato sullo stampo esterno dopodiché il secondo stampo (di dimensione inferiore) è stato ricoperto con un foglio di alluminio in modo da facilitare l’estrazione del PDMS ed è stato posizionato sul silicone. Il sistema è stato posto in forno a 60 °C per 4 ore per consentire la polimerizzazione. Conclusa la polimerizzazione è stato rimosso lo stampo interno ed è stato colato il secondo strato di PDMS. Lo stesso procedimento si è ripetuto per realizzare anche il terzo strato. Con questo metodo si ottiene metà vescica. Le due metà verranno allineate e fissate con colla siliconica. Una volta assemblata la vescica si è creato un foro per inserire e fissare l’uretra, simulata da un tubo di silicone con diametro interno di 7 mm.

La scelta di usare il silicone è dettata da diversi fattori, innanzitutto è economico ed ha una viscosità bassa che consente di realizzare strati sottili, inoltre il modulo elastico può essere regolato variando il rapporto tra i due componenti. Tuttavia, il rapporto scelto, 20:1, risultava essere troppo rigido rispetto al tessuto umano ma comunque, per lo scopo per cui è stato realizzato, ossia per valutare nuovi sistemi OCT, si può ritenere accettabile utilizzare tale composizione.

Figura 58 A sinistra è riportato lo stampo per realizzare il phantom e a destra il risultato finale