La Mayo Clinic sta usando la stampa 3D per insegnare alla prossima generazione di chirurghi il trattamento della colonna vertebrale

La vita dei praticanti è dura. Dopo anni di vita, studio e medicina respiratoria, sono finalmente ad un passo verso la possibilità di praticare ufficialmente. Il praticantato medico può richiedere tre anni per i medici di base, ma alcune specialità chirurgiche richiedono ancora più tempo di formazione per sviluppare nuove procedure senza rischiare la vita, a volte fino a sette anni. E abbiamo detto che allenarsi non è un gioco da ragazzi? Il suo duro lavoro e in parte non è per il nausea.

I praticanti hanno bisogno di cadaveri per scopi educativi, ma questi sono difficili da trovare. Negli Stati Uniti, solo 20.000 corpi vengono donati alla scienza ogni anno, il che è appena sufficiente per soddisfare una popolazione di oltre 27.000 residenti . Inoltre, è necessario aggiungere i costi per acquistarli, secondo un articolo del New York Times, la consegna di un cadavere intatto costa circa 1.000 dollari, ma diversi specialisti cercano specifici pezzi di anatomia per il loro lavoro e le singole parti possono essere costose, come un busto in buone condizioni che può costare $ 5.000 o una spina dorsale per $ 3.500. Con i residenti che hanno bisogno di più di un cadavere su cui esercitarsi e le cliniche di solito hanno solo risorse limitate, c’è una necessità sensata di trovare nuovi modi per educare la prossima generazione di medici. Per William Clifton, neurochirurgo residente presso la Mayo Clinic in Florida, sembrava che ci fosse un altro modo per formare i chirurghi, quindi si è consultato con un ingegnere, che era anche un amico, e ha realizzato che la creazione di modelli stampati in 3D per la medicina e simulatori per la formazione dei residenti potrebbe essere la soluzione risolutiva.

Clifton ebbe un’idea che riguardava l’acquisto di una stampante desktop Ultimaker S5 FDM con un prestito personale e la ricerca di uno spazio a casa per iniziare a stampare modelli nel suo tempo libero, non un lavoro del tutto facile considerando che il giovane medico e sua moglie hanno quattro figli. Ma Clifton, uno dei primi destinatari della Mayo Clinic John H. e Carolyn O. Sonnentag Neurosurgery Residency in Florida, era in missione, uno di cui è diventato molto appassionato, usando la tecnologia di stampa 3D per costruire simulatori che possono essere usati per addestrare residenti per un intervento chirurgico. Lungo il suo percorso, ha incontrato Aaron Damon, ricercatore e specialista di laboratorio presso il Simulation Center della Mayo Clinic, e ha subito scoperto di condividere il desiderio di cambiare il futuro della formazione dei residenti.

I suoi primi progetti lo hanno aiutato a costruire i modelli di allenamento utilizzati oggi. Dallo scorso marzo, hanno sviluppato centinaia dei loro simulatori biomimetici di tessuti umani originali, oltre 30 pubblicazioni sottoposte a revisione paritaria , nonché numerosi invii di brevetti per dispositivi neurochirurgici. Anche il Dipartimento di Chirurgia Neurologica si è fortemente impegnato nella pianificazione di uno spazio dedicato alla stampa 3D per neurochirurgia e ora esiste un laboratorio di scienza dei materiali basato sulle idee e sull’infrastruttura che Clifton ha contribuito a creare. Oggi il loro laboratorio ospita tre stampanti FDM: due Ultimaker S5 e una Raise3D Pro per volumi più grandi, ad esempio quando devono stampare casi di scoliosi (una condizione medica in cui la colonna vertebrale di una persona ha una curva laterale) per aiutare i residenti che devono affrontare la scoliosi pediatrica.

“Stiamo utilizzando modelli specifici per paziente stampati in 3D in un certo modo per caratterizzare le proprietà del materiale di ossa, tessuti molli, muscoli, legamenti, tendini e altro, esattamente come è in vivo ” , ha dichiarato Clifton in un’intervista con 3DPrint .com . ” La grande innovazione è che i nostri modelli mostrano la stessa biomeccanica della colonna vertebrale umana o del cranio umano in modo che il chirurgo possa vedere dove le strutture sono in realtà l’una con l’altra, piegarle e spostarle, nonché osservare come cambiano le relazioni dinamiche “.

Secondo la Mayo Clinic, il processo di stampa 3D comprende la rimozione delle informazioni dalla scansione TC di un paziente e la conversione dell’immagine in stereolitografia. Sulla base di informazioni spaziali, Mayo Clinic può programmare la stampante per creare modelli specifici per il paziente, come vertebre anatomicamente precise. I medici-scienziati usano questi modelli di addestramento chirurgico in tandem con le risorse fornite dal J. Wayne e dal centro di simulazione del tessitore Barr Delores presso il campus della Mayo Clinic in Florida. Il Weaver Simulation Center ha collaborato con Clifton per condividere i suoi modelli di allenamento 3D con gli studenti chirurgici.

La vera innovazione è stata la simulazione del tessuto umano e la creazione di un nuovo polimero per la stampa 3D FDM di modelli anatomici che verrà utilizzato per la pratica delle operazioni pre-chirurgiche mediante elettrocauterizzazione, cosa che non è mai stata fatta prima. L’innovativa nuova chimica dei polimeri e il film stampato in 3D dovrebbero essere disponibili sul mercato non appena Clifton e Damon saranno in trattative con più aziende attraverso Mayo Clinic Ventures (l’ufficio commerciale di Mayo che gestisce questo tipo di trattative e commercializzazione).

Fantasma stampato in 3D per insegnare ai tirocinanti neurochirurgici la tecnica a mano libera del posizionamento della vite laminare C2

“La facoltà è entusiasta di questo progetto perché l’abilità dei residenti è aumentata considerevolmente. Tradizionalmente gli stagisti apprendono sui cadaveri o durante la residenza nelle persone viventi. Ad esempio, i residenti chirurgici devono imparare a posizionare le viti nelle vertabre C2 e questa è una procedura complessa perché stanno imparando a navigare tra l’arteria vertebrale e il midollo spinale; ma con i nostri modelli possono esercitarsi a mettere un paio di centinaia di viti peduncolari C2 in modo che quando vanno in sala operatoria (OR) sanno esattamente cosa fare, perché l’hanno fatto così tante volte su tali modelli realistici ” Clifton, la cui specialità come neurochirurgo lo porta a eseguire un intervento chirurgico al cervello, al midollo spinale e ai nervi periferici.

La Mayo Clinic punta sulla ricerca, l’educazione e l’assistenza ai pazienti, motivo per cui Damon e Clifton si stanno impegnando per insegnare ai futuri medici come prendersi cura della prossima generazione di pazienti. Il duo va molto d’accordo, comprendendo che la cooperazione e la collaborazione sono una delle chiavi del loro successo, che saranno presto utilizzate nelle altre due cliniche Mayo, a Rochester e in Arizona. Nei brevi otto mesi dall’inizio della loro avventura, hanno creato14 diversi modelli per le sole patologie della colonna vertebrale e ora inizieranno a sviluppare modelli cerebrali. Damon ha indicato che hanno in cantiere un modello di resezione del tumore al cervello, “che i residenti possono usare per praticare la rimozione di un tumore al cervello, la coagulazione dei vasi, la misurazione della perdita di sangue, la manipolazione del cervello e persino la mappatura del cervello, il che significa che ora stiamo andando nel set di abilità di microchirurgia e non solo nella chirurgia spinale. ”

“Siamo in grado di stampare molte patologie diverse, anche se sei un po ‘limitato con un cadavere. Con il prinitng 3D è possibile modellare patologie specifiche dopo un paziente, nonché patologie complesse e rare che i residenti potrebbero non vedere così spesso in sala operatoria ”, ha spiegato Damon. “Questo è uno sviluppo molto specifico e universale allo stesso tempo, perché speriamo che altre cliniche in tutto il mondo che a malapena hanno accesso ai cadaveri per l’addestramento dei residenti, possano usarle e alla fine questo migliorerà i risultati e la vita in tutto il mondo. ”

Ogni simulatore costa circa $ 50, mentre un cadavere normalmente acquistato per questo tipo di addestramento chirurgico può incorrere in migliaia, aiutando la Mayo Clinic a risparmiare anche migliaia di dollari. Il centro medico, che si classifica come la migliore clinica di neurochirurgia in tutto il mondo, riceverà comunque ovviamente cadaveri; ma Clifton ha ricordato di aver speso oltre $ 50.000 in soli tre mesi, nel tessuto cadavere per la ricerca e l’istruzione nel 2018. Quell’esperienza e la realtà dell’onere dei costi alla base della sua formazione è uno dei motivi che ha suscitato l’interesse nello sviluppo di un costo maggiore modo efficace per esercitarsi.

“Uno dei vantaggi distintivi della stampa 3D FDM è che ci consente di costruire modelli realizzati con composizioni e proprietà di materiali diversi. Facciamo questo per simulare diversi processi patologici per l’addestramento dei residenti e per affrontare la cura del paziente e la pianificazione chirurgica in modo individualizzato “, ha affermato Clifton.

Clifton e Damon vogliono portare questa tecnologia al punto in cui è semplificata, in modo che i residenti abbiano una formazione dedicata alla simulazione. La chiave è che anche prima di colpire l’OR, hanno eseguito la procedura almeno 10 volte e non solo le parti più semplici della procedura, ma anche tutti gli elementi complessi. La loro speranza per il futuro è che questo diventi un modello standardizzato negli Stati Uniti.

Damon ha suggerito che gran parte del loro lavoro ha perfezionato e convalidato i loro modelli fino a quando non hanno raggiunto un’alta fedeltà paragonabile ai cadaveri. “Con questi simulatori, i residenti sono in grado di acquisire lo stesso livello di abilità dei chirurghi che sono stati sul campo per molti anni grazie all’elevata fedeltà e alla pratica ripetuta a costi contenuti. Il supporto che riceviamo dalla Mayo Clinic consente inoltre alla nostra creatività di crescere e continuare a spingere i confini dell’innovazione nella stampa 3D “.

Damon ha suggerito che “anche nel nostro laboratorio a Mayo, c’erano fino a cinque residenti chirurgici che condividevano un busto cadavere, ma ora ogni persona può avere il proprio modello e innumerevoli esperienze, il che è inestimabile”. I due esperti affermano che i cadaveri danno ai residenti la possibilità di ottenere una procedura corretta, mentre i modelli possono essere stampati in 3D centinaia di volte.

Tre dei pazienti di Clifton hanno recentemente beneficiato delle sue applicazioni nella stampa 3D. I modelli unici hanno contribuito alle sessioni di pianificazione chirurgica, hanno contribuito a individuare diagnosi precise e hanno guidato le scelte di gestione postoperatoria. La prima paziente aveva una deformità spinale congenita, la successiva aveva un grosso tumore metastatico vicino alla colonna lombare e la terza aveva una cisti rara che le comprimeva il tronco encefalico. Tutti e tre i pazienti si sono ripresi dai loro interventi chirurgici di successo a causa delle forze combinate di innovazione e abilità chirurgiche.

“Stiamo davvero esaminando la componente educativa, cercando di ottenere una soluzione migliore, più sicura ed economica per il futuro. Il mio obiettivo è insegnare alla prossima generazione di residenti a diventare grandi chirurghi della colonna vertebrale “.

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