Lo Sheffield Teaching Hospitals NHS Foundation Trust ha inaugurato un laboratorio dedicato alla produzione di modelli anatomici tridimensionali destinati alla pianificazione chirurgica, alla simulazione degli interventi e alla formazione del personale sanitario. La struttura permette di trasformare le immagini cliniche di un paziente in riproduzioni fisiche di ossa, organi, vasi sanguigni e tessuti, offrendo alle équipe la possibilità di esaminare anatomie complesse prima di entrare in sala operatoria.
Il progetto è stato finanziato nell’ambito di un programma per le infrastrutture di ricerca del National Institute for Health and Care Research, l’ente britannico che sostiene la ricerca sanitaria e assistenziale. Il laboratorio è gestito dallo Sheffield 3D Lab, unità dello Sheffield Teaching Hospitals NHS Foundation Trust specializzata nell’elaborazione delle immagini mediche, nella visualizzazione tridimensionale e nella produzione di modelli anatomici personalizzati.
L’apertura è stata celebrata il 23 giugno 2026 con una cerimonia alla quale hanno partecipato gli scienziati clinici Pete Metherall, Anna Hallam e Jonathan Taylor. La realizzazione della nuova area è stata resa possibile anche dal trasferimento del team di medicina nucleare nella struttura dedicata alla medicina nucleare e alla radioterapia molecolare presso il Weston Park Cancer Centre, liberando gli spazi necessari per ampliare il laboratorio.
Dalle immagini diagnostiche alla replica anatomica
La produzione di un modello anatomico personalizzato inizia con gli esami acquisiti durante il normale percorso clinico. Le fonti più comuni sono la tomografia computerizzata e la risonanza magnetica, ma possono essere utilizzati anche dati provenienti da altre tecniche di imaging, a condizione che offrano una risoluzione adeguata alla struttura da riprodurre.
Le immagini vengono archiviate generalmente nel formato DICOM, lo standard impiegato dai sistemi sanitari per gestire e scambiare dati radiologici. A questo punto gli specialisti selezionano le strutture di interesse attraverso un processo chiamato segmentazione. Un osso, un tumore, una cavità cardiaca o una rete vascolare devono essere separati digitalmente dai tessuti circostanti, immagine dopo immagine.
La segmentazione può essere assistita da algoritmi automatici, ma richiede il controllo di professionisti che conoscano sia l’anatomia sia i limiti dell’imaging diagnostico. Artefatti provocati dal movimento, protesi metalliche, ridotta definizione dei margini o parametri di acquisizione non adeguati possono infatti generare ricostruzioni incomplete o imprecise.
Terminata questa fase, i volumi digitali vengono trasformati in superfici tridimensionali. I tecnici correggono eventuali imperfezioni geometriche, definiscono lo spessore delle pareti, separano le parti che dovranno essere smontabili e assegnano colori o proprietà meccaniche differenti alle strutture anatomiche. Il file viene quindi preparato per la stampa, stabilendo orientamento, materiali, supporti e risoluzione.
Non si tratta quindi di inviare direttamente una TAC a una stampante. La qualità del risultato dipende da una catena di operazioni cliniche e ingegneristiche nella quale ogni passaggio deve essere documentato e verificato.
Materiali diversi nello stesso modello
Nel laboratorio sono presenti sistemi ad alta precisione basati sulla deposizione di fotopolimeri. Il funzionamento è paragonabile, per alcuni aspetti, a quello di una stampante a getto d’inchiostro: minuscole quantità di resina vengono depositate sul piano di costruzione e solidificate mediante luce ultravioletta. Il processo viene ripetuto strato dopo strato fino a ottenere l’oggetto completo.
Le piattaforme PolyJet sviluppate da Stratasys consentono di combinare più fotopolimeri durante lo stesso ciclo produttivo. Regolando le proporzioni tra materiali rigidi, elastici, trasparenti e colorati, è possibile rappresentare nello stesso modello strutture con caratteristiche differenti.
Una replica cardiaca, per esempio, può mostrare le camere del cuore, le pareti muscolari, le valvole e i principali vasi sanguigni attraverso colori e consistenze distinte. In un modello ortopedico, l’osso corticale può essere reso più rigido rispetto alle zone interne, mentre un modello vascolare può essere configurato con pareti flessibili per consentire esercitazioni con cateteri o altri strumenti.
L’obiettivo non è riprodurre ogni proprietà biologica del corpo umano. I fotopolimeri non sono tessuti viventi e non possono replicare tutti i comportamenti fisiologici. Possono però fornire una rappresentazione fisica controllabile, ripetibile e adattata alla specifica attività clinica o formativa.
Le tecnologie di Stratasys, Formlabs e Artec 3D
Le pagine tecniche dello Sheffield Teaching Hospitals NHS Foundation Trust indicano che l’ecosistema collegato allo Sheffield 3D Lab comprende sistemi PolyJet di Stratasys e diverse piattaforme di Formlabs.
Le stampanti stereolitografiche di Formlabs, tra cui i sistemi Form 3B e Form 4, utilizzano resine liquide solidificate dalla luce per produrre componenti dettagliati. La Form 3B è progettata anche per lavorare con materiali destinati ad applicazioni sanitarie e odontoiatriche. L’infrastruttura dispone inoltre di tecnologie di sinterizzazione laser selettiva, come la Formlabs Fuse 1+ 30W, adatte alla produzione di parti funzionali in polvere polimerica.
Il laboratorio e il servizio di ingegneria clinica possono utilizzare anche lo scanner Leo prodotto da Artec 3D. Questo dispositivo acquisisce la geometria esterna di oggetti e superfici senza contatto e può essere impiegato quando è necessario integrare dati superficiali con quelli ottenuti dagli esami radiologici.
Le diverse tecnologie non svolgono la stessa funzione. La stampa multimateriale di Stratasys è indicata quando servono colori, trasparenze e consistenze combinate. La stereolitografia di Formlabs è utile per modelli dettagliati, prototipi e, con materiali e procedure appropriati, alcune tipologie di guide. La sinterizzazione laser può produrre componenti resistenti senza le strutture di supporto richieste da altri processi.
La scelta dipende quindi dall’utilizzo previsto, dalle dimensioni, dal livello di dettaglio richiesto, dal comportamento meccanico desiderato e dagli eventuali requisiti di biocompatibilità.
Una competenza sviluppata nell’arco di dieci anni
Il progetto non parte da zero. Lo Sheffield 3D Lab ha introdotto la stampa tridimensionale nel proprio flusso di lavoro nel 2016, attraverso una collaborazione con la University of Sheffield. Negli anni successivi il gruppo ha ampliato le proprie attività di elaborazione delle immagini, analisi quantitativa e modellazione anatomica.
Il laboratorio dichiara di analizzare più di 300 casi al mese. Questo volume comprende attività differenti e non significa che per ogni caso venga prodotto un oggetto fisico. Molti pazienti possono essere studiati attraverso ricostruzioni digitali, misurazioni quantitative o visualizzazioni tridimensionali su schermo. La stampa viene selezionata quando il modello tangibile offre un vantaggio concreto rispetto alle sole immagini bidimensionali o virtuali.
La nuova struttura riunisce queste competenze in uno spazio dedicato e permette una collaborazione più stretta tra scienziati clinici, radiologi, chirurghi e ingegneri dello Sheffield Teaching Hospitals NHS Foundation Trust. Il gruppo lavora anche con partner accademici e può supportare la valutazione di software clinici, lo sviluppo di dispositivi e la verifica di nuovi strumenti di elaborazione delle immagini.
La preparazione degli interventi complessi
Una TAC o una risonanza vengono osservate normalmente come sequenze di immagini bidimensionali. I medici esperti sono in grado di ricostruire mentalmente la disposizione delle strutture, ma il compito diventa più impegnativo quando l’anatomia presenta deformazioni, malformazioni, tumori o rapporti vascolari insoliti.
Un modello fisico consente al gruppo chirurgico di osservare la stessa anatomia da qualsiasi direzione, misurare le distanze, valutare gli spazi disponibili e discutere con maggiore chiarezza le diverse strategie operative. Le strutture possono essere colorate, rese trasparenti o separate in parti rimovibili per mostrare elementi che altrimenti rimarrebbero nascosti.
Lo Sheffield Teaching Hospitals NHS Foundation Trust ha indicato tra le applicazioni già affrontate la pianificazione di operazioni cardiache complesse. In questi casi può essere importante comprendere la posizione dei grandi vasi, le dimensioni delle cavità cardiache, la presenza di comunicazioni anomale o il rapporto tra una lesione e le strutture circostanti.
L’équipe può studiare il possibile accesso chirurgico, confrontare diverse traiettorie e simulare alcune fasi dell’intervento giorni o settimane prima dell’operazione. Il modello può inoltre essere utilizzato durante le riunioni multidisciplinari, nelle quali cardiologi, radiologi, anestesisti, chirurghi e ingegneri devono confrontarsi sulla stessa configurazione anatomica.
I modelli personalizzati trovano applicazione anche in ortopedia, chirurgia cranio-maxillo-facciale, otorinolaringoiatria, neurochirurgia e chirurgia vascolare. Non tutti gli interventi richiedono una replica stampata: il maggiore valore si concentra nei casi in cui l’anatomia è complessa, rara o modificata da precedenti operazioni e patologie.
Formazione chirurgica senza coinvolgere il paziente
Il laboratorio non è destinato soltanto alla pianificazione di casi clinici. Un modello con caratteristiche controllate può essere usato per addestrare medici in formazione o per permettere a chirurghi esperti di provare una procedura poco frequente.
La possibilità di tagliare, forare, suturare o attraversare con strumenti un modello appositamente progettato crea un ambiente di esercitazione nel quale l’errore non produce conseguenze sul paziente. La stessa anatomia può essere riprodotta più volte, consentendo di confrontare tecniche, strumenti e prestazioni degli operatori.
I modelli possono inoltre rappresentare condizioni patologiche difficili da incontrare con regolarità nei percorsi formativi. Questo aspetto è utile per le procedure che richiedono una risposta coordinata dell’intera équipe, non soltanto l’abilità del singolo chirurgo.
La simulazione può comprendere anche la disposizione degli strumenti, il posizionamento degli operatori e la sequenza delle manovre. In questo modo il modello diventa una componente di un’esercitazione più ampia, anziché un semplice oggetto dimostrativo.
Uno strumento per comunicare con i pazienti
Le ricostruzioni tridimensionali possono essere utilizzate durante il colloquio con il paziente e con i familiari. Mostrare una struttura anatomica fisica può rendere più comprensibili la posizione di una patologia, il percorso previsto per raggiungerla e le ragioni che portano a scegliere una determinata procedura.
Questa funzione non sostituisce il consenso informato né elimina la necessità di spiegare rischi, alternative e possibili complicazioni. Può però ridurre la distanza tra il linguaggio specialistico e l’esperienza del paziente, soprattutto quando immagini radiologiche e disegni bidimensionali risultano difficili da interpretare.
Anche in questo ambito il modello deve essere presentato con attenzione. Colori, trasparenze e materiali sono scelte grafiche e tecniche: non sempre corrispondono all’aspetto reale dei tessuti. È quindi compito del professionista spiegare quali elementi rappresentano fedelmente la geometria anatomica e quali servono soltanto a facilitarne la lettura.
Controllo qualità e limiti clinici
La precisione di un modello dipende innanzitutto dalla qualità delle immagini di origine. Una struttura non visibile nella TAC o nella risonanza non può essere ricostruita con certezza. Allo stesso modo, un errore durante la segmentazione può essere trasferito al file tridimensionale e all’oggetto stampato.
Per questo motivo il flusso deve includere verifiche da parte di personale qualificato, confronto con le immagini originali, tracciabilità delle modifiche e controlli dimensionali. La stampa deve inoltre essere progettata in funzione dell’uso previsto. Un modello destinato a spiegare una procedura può richiedere caratteristiche diverse rispetto a uno sul quale il chirurgo deve provare il posizionamento di una vite.
Occorre anche distinguere tra modelli anatomici, guide chirurgiche e impianti. Un modello usato fuori dal campo operatorio per osservazione o addestramento non presenta gli stessi requisiti di una guida che entra in contatto con il paziente. In quest’ultimo caso diventano centrali la biocompatibilità dei materiali, la sterilizzazione, la gestione del rischio e la conformità alle norme applicabili ai dispositivi medici.
I tempi e i costi di produzione costituiscono un altro criterio di selezione. Segmentare un’anatomia complessa, revisionare il progetto, stampare più materiali e completare la pulizia del modello richiede personale specializzato. La stampa 3D è quindi più adatta ai casi nei quali il beneficio previsto giustifica le risorse necessarie.
Una piattaforma condivisa tra medicina e ingegneria
Con il nuovo laboratorio, lo Sheffield Teaching Hospitals NHS Foundation Trust punta a consolidare un servizio interno capace di collegare imaging medico, progettazione digitale, produzione additiva e ingegneria clinica.
Il vantaggio di una struttura ospedaliera consiste nella possibilità di mantenere un dialogo diretto tra chi acquisisce le immagini, chi ricostruisce l’anatomia e chi dovrà utilizzare il modello. Eventuali dubbi possono essere discussi prima della stampa e il progetto può essere adattato alla domanda clinica, evitando di produrre repliche ricche di dettagli ma prive delle informazioni necessarie al chirurgo.
Il laboratorio potrà inoltre fornire una base tecnica per studi clinici, attività di formazione, valutazione di dispositivi e collaborazioni con la University of Sheffield. La presenza di sistemi Stratasys, Formlabs e Artec 3D permette di scegliere processi differenti all’interno dello stesso servizio, invece di vincolare ogni progetto a una sola tecnologia.
I modelli anatomici non sostituiscono l’esperienza del medico, gli esami diagnostici o le valutazioni multidisciplinari. A Sheffield vengono inseriti in un processo più ampio, nel quale la stampa 3D serve a rendere fisicamente accessibili informazioni già contenute nei dati clinici. Il risultato è uno strumento di lavoro che può aiutare le équipe a comprendere meglio la configurazione anatomica del singolo paziente, preparare le procedure e sviluppare percorsi formativi più vicini alle condizioni incontrate in sala operatoria.
