Sapere come reagiscono i tessuti

La simulazione con l’aiuto del metodo di analisi per elementi finiti (FEM) ha già contribuito ai progressi dell’ingegneria medica e in particolare dei prodotti tecnico-medicali. Le sfide attuali imposte a questa tecnologia sono le applicazioni specifiche per il paziente in materia di protesi articolari oppure in odontoiatria, nella tecnica ortopedica o addirittura nella chirurgia plastica. L’aspetto più interessante risiede nella possibilità di riprodurre in maniera veritiera e precisa l’interazione di materiali esterni come impianti o stent e tessuti umani come ossa e vasi sanguigni in modo che i medici possano lasciarsi guidare nelle loro decisioni.

Oggi è già possibile produrre geometrie di impianti personalizzate sulla base di procedure per immagini come la TC o la MRT. Il software FEM consente per esempio di calcolare la rigidità di un materiale esterno. Gli specialisti prendono in considerazione addirittura le forze effettive che agiscono sul corpo. Ciò facilita una pianificazione degli impianti vantaggiosa dal punto di vista biomeccanico, sebbene numerosi fattori, come la posizione nel corpo, le dimensioni dell’impianto e, in particolare, le forze attive, varino sensibilmente da un paziente all’altro.

Le simulazioni personalizzate realizzate sulla base del metodo di analisi per elementi fini (FEM) consentono al medico di visualizzare sul computer diversi scenari già prima dell’intervento e lo aiutano a ridurre i rischi durante o dopo l’intervento chirurgico. Ma la simulazione trova applicazione anche lontano dal tavolo operatorio. Per ottenere una protesi ortopedica adatta a un determinato moncone d’amputazione, oggi è necessario prendere impronte negative e rilavorarle a lungo a mano per ottenere un modello in positivo. La qualità del risultato e la velocità del processo dipendono in gran parte dall’esperienza del tecnico ortopedico che ottiene la forma corretta dello stelo dopo aver creato tre o quattro campioni, con otto ore di lavoro per ciascuno. Una simulazione personalizzata per ogni paziente permetterebbe di ricreare i processi complessi legati alla trasformazione dei tessuti durante la fase di prova dello stelo. Si potrebbe cosi determinare il posizionamento della protesi e, nel migliore dei casi, rinunciare alla produzione dei campioni di steli, una fase che richiede tempo e denaro.

La simulazione personalizzata per i pazienti con aneurismi addominali costituisce un altro campo d’applicazione medicale della tecnologia FEM. L’aneurisma dell’aorta addominale (AAA) è pericoloso: è un rigonfiamento dell’aorta nella cavità addominale all’interno del quale si forma un trombo di sangue coagulato. In caso di rottura o di lacerazione del tessuto, l’emorragia interna può mettere in pericolo la vita del paziente. Tuttavia, in generale, è possibile calcolare le modifiche di tensione sulle pareti dei tessuti con l’aiuto di simulazioni FEM e pertanto ottenere informazioni sulla probabilità di rottura. Dal punto di vista tecnico, questo risultato è già possibile oggi, tuttavia, prima di un’applicazione nella pratica clinica, vi sono ancora dettagli da chiarire per quanto concerne le proprietà meccaniche delle pareti dei tessuti.

Il progetto di ricerca Serv.biz ha mostrato che tale tecnologia era anche alla portata di dentisti senza particolari competenze nel campo del metodo FEM. La parte più complessa, vale a dire la creazione di modelli FEM adattati che necessita di un certo know-how e della padronanza di determinati strumenti software, è stata automatizzata dai partner del progetto. Gli specialisti dell’Istituto Fraunhofer IAO di Stoccarda e della società Cadfem GmbH di Grafing, vicino a Monaco, hanno messo a punto un ambiente di simulazione per il settore dentale, utilizzabile su computer dall’implantologo prima dell’intervento. Quest’ultimo può pertanto comparare diversi impianti in funzione del loro diametro o della loro lunghezza e selezionare la migliore opzione biomeccanica per il suo paziente.

Il gruppo di ricerca CAPS (Computer Aided Plastic Surgery), diretto dal professor Laszlo Kovacs dell’Università tecnologica di Monaco, è anch’esso partner di Cadfem. I ricercatori concentrano i loro studi su questioni mediche precise, per le quali la simulazione FEM potrebbe costituire un aiuto prezioso per il medico. Tra queste figurano tecnologie innovative che permettono di rilevare, digitalizzare e visualizzare superfici corporee umane o tessuti morbidi.

I ricercatori generano così delle ricostruzioni in 3D di modelli anatomici di diverse regioni del corpo a partire da dati di immagini radiologiche. Essi simulano con precisione le deformazioni fisiche dei tessuti integrando parametri biomeccanici dei tessuti. Possono pertanto rappresentare in anticipo interazioni biomeccaniche appoggiandosi a questi modelli FEM deformabili che tengono conto anche delle proprietà specifiche di diversi tessuti.

Si possono intolre riconoscere parametri tissutali fisici come l’elasticità o l’allungamento utili per la simulazione numerica. Tali dati servono, ad esempio, nella chirurgia plastica per apprezzare il risultato prima di un’operazione di chirurgia mammaria.

Questi esempi illustrano lo stato della tecnica, pertanto gli inizi della simulazione FEM personalizzata. La valutazione e l’interpretazione dei risultati di ogni caso particolare implica un alto livello di competenza tecnica. In ultima analisi, i risultati di una simulazione FEM forniscono dati su fatti precisi; questo vale sia nel campo dell’ingegneria, ma anche per l’utilizzo in medicina. La decisione sulla continuazione del trattamento e pertanto la responsabilità resta, come sempre, nelle mani del medico.

Christoph Müller Cadfem, Grafing (München)

Ulteriori informazioni Nel settore medico Cadfem valorizza i metodi di simulazione informatica per la medicina e coopera con istituti di ricerca. Per ulteriori dettagli: www.cadfem.de.