Dual-Filament 3D Printing of Patient-Specific CT Phantoms with Embedded Implants and Tunable Metal-Artifact Intensity

Immagina di essere un detective che cerca di risolvere un mistero, ma ogni volta che guardi attraverso la tua lente d'ingrandimento il indizio più importante, la lente stessa macchia l'immagine con una gigantesca e confusa sbavatura di inchiostro nero. Nel mondo dell'imaging medico, questa "lente d'ingrandimento" è uno scanner CT, e l' "inchiostro" è un impianto metallico come una vite o una protesi d'anca. Quando i raggi X colpiscono il metallo, si confondono, creando striature e ombre scure che nascondono i delicati tessuti circostanti. Questo rende incredibilmente difficile per i medici capire se un intervento sia andato a buon fine o se un paziente stia guarendo. Per risolvere il problema, gli ingegneri hanno inventato programmi informatici ingegnosi chiamati algoritmi di "Riduzione degli Artefatti Metallici" (MAR). Questi programmi cercano di cancellare digitalmente le sbavature di inchiostro. Ma il problema è questo: come si testa se questi programmi funzionano davvero? Non puoi chiedere a un paziente di scambiare la sua vite in titanio con una di plastica per vedere la differenza, e non puoi usare nemmeno un semplice blocco di plastica perché non assomiglia a un vero corpo umano. Gli scienziati hanno bisogno di un "manichino da test" perfetto che sembri esattamente un paziente, che abbia una vite metallica all'interno e che possa, magicamente, cambiare la quantità di "inchiostro" che crea, così da poter testare il loro software di pulizia in modo equo.

È qui che un team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania è intervenuto con un nuovo trucco astuto. Hanno sviluppato un modo speciale per stampare in 3D questi manichini da test perfetti usando un metodo che chiamano "PixelPrint". Pensa a questo come a un pasticciere hi-tech che non si limita a cuocere una torta; può cuocere una torta dove ogni singolo briciolone ha un sapore diverso, e può persino nascondere una goccia di cioccolato dentro una briciola di fragola senza che i sapori si mescolino. Di solito, le stampanti 3D per le scansioni mediche sono come pasticceri a un solo gusto: possono stampare un osso o un muscolo, ma non possono stampare un osso e una vite metallica nello stesso oggetto mantenendo la consistenza del corpo reale. Questo team, tuttavia, ha aggiornato la loro stampante utilizzando due diversi "filamenti" (le stringhe di plastica che la stampante usa) contemporaneamente. Un filamento è una plastica speciale mischiata con calcio per sembrare tessuto molle e osso, e l'altro è una plastica mischiata con polvere metallica per sembrare una vite.

La principale scoperta dei ricercatori è che possono controllare esattamente quanto "metallico" appaia la vite cambiando la quantità di plastica-metallo che impacchettano nella zona della vite. Hanno stampato tre copie identiche del collo di un paziente (specificamente la colonna cervicale dalle vertebre C4 a C6) con sei viti spinali inserite. La prima copia non aveva affatto plastica metallica (0% di riempimento), agendo come un riferimento di "verità di base" (ground truth) perfetto e limpido. La seconda aveva una quantità media di plastica metallica (50% di riempimento), e la terza era densamente impacchettata con quasi tutta plastica metallica (85% di riempimento). Quando li hanno scansionati con una macchina CT, i risultati sono stati esattamente quelli che speravano: la versione allo 0% appariva come un collo pulito, la versione al 50% presentava striature lievi, e quella all'85% presentava striature pesanti e drammatiche, proprio come fanno i veri impianti metallici. Fondamentalmente, il resto del collo — i muscoli, le vie aeree e la consistenza dell'osso — appariva esattamente lo stesso in tutte e tre le versioni, provando che l' "inchiostro" proveniva solo dalle parti metalliche regolabili.

Il team ha anche testato come diversi tipi di energia X influenzassero queste striature. Hanno scansionato i fantocci a vari livelli di energia, che vanno da 50 keV a 190 keV. Hanno scoperto che a energie più basse (come 50 keV), le striature erano enormi e le viti sembravano espandersi in giganteschi blob sfocati. Ma man mano che aumentavano l'energia a 130 o 190 keV, le striature svanivano e le viti diventavano nitide e chiare. Ciò ha confermato che il loro nuovo metodo di stampa può imitare in modo affidabile il problema del mondo reale dei manufatti metallici e come questi rispondano a diverse impostazioni di scansione.

Tuttovia, l'articolo nota con cura alcuni limiti. Sebbene la plastica mischiata con calcio abbia fatto un ottimo lavoro nel mimare i tessuti molli e l'osso spugnoso, non è riuscita a raggiungere la densità super-alta dello strato più esterno e duro dell'osso reale (osso corticale). Nella scansione del paziente reale, quell'osso duro era superiore a 1000 Unità Hounsfield (HU), mentre la versione stampata arrivava al massimo a circa 620 HU. Quindi, sebbene la stampa fosse eccellente per la maggior parte delle cose, non era proprio abbastanza "dura" per copiare perfettamente le parti più dense di uno scheletro reale. Inoltre, il metallo utilizzato nella plastica (acciaio inossidabile) non è esattamente lo stesso dell'acciaio titanio o del cobalto-cromo usati nelle vere chirurgie, sebbene crei striature molto simili.

I ricercatori hanno misurato la "disordinezza" delle striature utilizzando uno strumento matematico specifico chiamato indice p di Gumbel. Hanno scoperto che all'aumentare del contenuto metallico dallo 0% al 50% all'85%, il punteggio di "disordinezza" aumentava in modo perfettamente prevedibile e lineare. Il punteggio passava da 46,7 HU per la versione pulita a 57,1 HU per la versione media e infine a 90,5 HU per la versione pesante. Questo dimostra che il loro metodo permette agli scienziati di regolare l'intensità dell'artefatto su e giù come una manopola del volume, senza cambiare l'anatomia sottostante.

In breve, questo articolo suggerisce che questo nuovo metodo di stampa 3D a doppio filamento è un modo potente e riproducibile per costruire manichini da test per verificare quanto bene i programmi informatici possano pulire gli artefatti metallici nelle scansioni CT. Non è ancora una cura magica che risolve il problema nei pazienti, ma fornisce un "campo di addestramento" affidabile e regolabile dove gli ingegneri possono testare il loro software contro un riferimento perfetto e noto. Gli autori ritengono che questo approccio possa in futuro essere utilizzato per testare scanner per ginocchia, anche e impianti dentali, aiutando a rendere l'imaging medico più chiaro e sicuro per tutti.