Come il cancro, le malattie cardiache e le numerose condizioni che la circondano (insieme ad altri sistemi correlati nel corpo umano) possono spesso causare complicazioni fatali, portando i ricercatori di tutto il mondo a cercare continuamente metodi migliori nella diagnosi, nel trattamento e nelle procedure chirurgiche. I ricercatori britannici, I. Brewis e JA McLaughlin, della Northumbria University hanno recentemente esplorato l’imaging 3D in riferimento all’assistenza cardiovascolare, pubblicando le loro scoperte in ” Visualizzazione migliorata della struttura cardiaca specifica del paziente mediante stampa tridimensionale accoppiato con tecniche di elaborazione dell’immagine ispirate da metodi astrofisici . ‘
Brewis e McLaughlin stanno lavorando nel campo dell’astrofisica nella creazione di nuove tecniche di elaborazione delle immagini per la visualizzazione del cuore umano, il trasferimento dei dati in un file .stl e quindi la stampa 3D di un modello medico. Queste nuove tecniche consentono una migliore modellazione dalle scansioni, in particolare migliorando la chiarezza delle caratteristiche più piccole.
Tradizionalmente, le scansioni TC e MRI hanno fornito i dati per i modelli stampati in 3D. Come sottolineano gli autori dello studio, questi sono “relativamente precisi” ma producono ancora errori. Non solo, l’elaborazione delle immagini può essere un’impresa ad alta manutenzione, consumando tempo e denaro. Attualmente ci sono una serie di tecniche in uso, tra cui:
La vignettatura
Funzione di livellamento del boxcar
dilatazione
Rilevamento dei bordi
Sviluppo della scala di lastre di pixel per dispositivi con accoppiamento di carica su veicoli spaziali
Brewis e McLaughlin hanno esaminato se l’utilizzo di tecniche generalmente utilizzate in astrofisica potesse ridurre il margine di errore, insieme a tempi di esecuzione più rapidi nel rendering. I passaggi fondamentali per arrivare a un modello 3D devono includere l’acquisizione di dati, la segmentazione, la conversione di file, il fissaggio e la progettazione e la stampa 3D. Ai fini di questo studio, gli scienziati hanno utilizzato i dati di un paziente anonimo, ottenendo 856 immagini TC. Nella segmentazione sono stati in grado di identificare la ‘regione di interesse’ da stampare in 3D: il tessuto cardiaco.
Il team ha utilizzato Slicer per visualizzare la cavità toracica da più angolazioni e tagliare tutti i dati estranei per una vista migliore.
“La soglia iniziale evidenziava tutto il tessuto cardiaco, con l’inclusione di sangue deossigenato sia nell’atrio destro che nel ventricolo destro”, hanno affermato i ricercatori nel loro articolo. “Si scoprì che le aree di sangue deossigenato venivano rimosse applicando una seconda soglia nell’intervallo [-600, 70] alle camere del cuore destro.”
Un secondo passaggio di soglia ha portato alla conversione dei dati da segmenti 2D in un rendering 3D.
“Questo metodo, pur modellando la maggior parte della struttura interna del cuore, ha omesso caratteristiche di piccola scala come le valvole. Per estrarre queste caratteristiche su scala ridotta dai dati DICOM disponibili, è stato introdotto un approccio alternativo “, hanno affermato i ricercatori, utilizzando la vignettatura per eliminare le interferenze aggiunte in background.
Un’ulteriore evidenziazione e miglioramento hanno permesso al team di ricerca di vedere più chiaramente le aree di occlusione della cuspide della valvola aortica e aree di pixel difettosi.
“Sia per il cuore pieno che per la valvola aortale, il tempo totale impiegato per la segmentazione dell’immagine era dell’ordine di decine di minuti, dove alcune parti del processo di segmentazione erano, naturalmente, più lunghe di altre”, hanno affermato i ricercatori. “Per il metodo presentato qui, il passo principale che ha richiesto molto tempo è stato utilizzare gli strumenti di gomma e disegno di Slicer 4.8.1.”
Una volta che i ricercatori hanno preparato i file per entrambi i modelli di valvole cardiache e aortiche, hanno utilizzato Netfabb per prepararsi alla produzione con una stampante 3D SLA.
“La stampante SLA ha prodotto modelli 3D più robusti ma non è stata in grado di produrre modelli che non richiedessero supporto aggiuntivo al fine di mantenere la struttura desiderata delle camere cardiache interne (cioè modelli indipendenti) durante la stampa”, hanno affermato i ricercatori. “Tuttavia, per una struttura semplice e relativamente piatta, come la valvola aortica, il problema del free standing non era un problema e il modello a base di resina più resistente si è dimostrato ideale per produrre strutture sottili e delicate come la valvola tricuspide.”
Alla fine, il team ha prodotto un modello di cuore stampato in 3D con quattro camere cardiache chiaramente definite, insieme all’aorta, alla vena cava superiore e alla vena polmonare e all’arteria. Il paziente i cui dati i ricercatori stavano usando come esempio aveva un aneurisma aortico che è accuratamente raffigurato nel modello, visto come un’area di depressione in una parete laterale aortica. Anche la calcificazione può essere osservata chiaramente e questo tipo di accuratezza significa che i chirurghi possono operare in modo più preciso ed efficiente, risparmiando tempo in sala operatoria.
“L’uso di rendering 3D dei dati dei pazienti migliora le tradizionali tecniche di imaging in cui i chirurghi sono tenuti a visualizzare un’immagine tridimensionale dei difetti cardiaci basata su una serie di scansioni 2D riproducendo l’anatomia cardiovascolare tridimensionale esatta e reale”, affermano i ricercatori . “L’uso della modellazione 3D può anche migliorare la comprensione del medico dell’anatomia del singolo paziente come nel caso della sostituzione della valvola16 o nella pianificazione procedurale per il trattamento della cardiopatia congenita”.
