Ottimizzare l'efficienza nella creazione del paziente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12082 (2023) Citare questo articolo

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La progettazione guidata dal campo è un approccio innovativo che consente di definire attraverso equazioni entità geometriche note come corpi impliciti. Questa tecnologia non si basa su subunità geometriche convenzionali, come poligoni o bordi, ma rappresenta piuttosto forme spaziali attraverso funzioni matematiche all'interno di un campo geometrico. I vantaggi in termini di velocità di calcolo e automazione sono evidenti e ben riconosciuti in ingegneria, soprattutto per le strutture reticolari. Inoltre, la progettazione guidata dal campo amplifica le possibilità della progettazione generativa, facilitando la creazione di forme generate dal software sulla base di vincoli definiti dall’utente. Considerato tale potenziale, questo articolo suggerisce la possibilità di utilizzare il software nTopology, che attualmente è l’unico software per la progettazione generativa sul campo, nel contesto della creazione di impianti paziente-specifici per la chirurgia maxillo-facciale. Vengono discussi gli scenari clinici di applicabilità, compresi i traumi e la chirurgia ortognatica, nonché l'integrazione di questa nuova tecnologia con gli attuali flussi di lavoro di pianificazione chirurgica virtuale. Questo articolo rappresenta la prima applicazione del field-driven design in chirurgia maxillo-facciale e, sebbene i suoi risultati siano molto preliminari in quanto si limita a considerare solo il campo distanza elaborato da punti specifici dell’anatomia ricostruita, introduce l’importanza di questa nuova tecnologia per la chirurgia maxillo-facciale. futuro della progettazione implantare personalizzata in chirurgia.

La chirurgia orale e maxillofacciale contemporanea incorpora sempre più dispositivi personalizzati creati utilizzando l'anatomia del paziente come modello guida. Pertanto, i dispositivi personalizzati forniscono un adattamento naturale e preciso all'osso, offrendo vantaggi in termini di facilità di posizionamento, tempi chirurgici ridotti e maggiore precisione chirurgica1,2,3.

L’avvento della produzione additiva (AM) in ambito sanitario ha dato un forte impulso alla traduzione immediata delle forme progettate in impianti stampati in 3D, estendendo il concetto di personalizzazione a un numero crescente di scenari chirurgici. La progettazione di impianti personalizzati stampati in 3D è ancora una questione aperta per i dispositivi di chirurgia maxillo-facciale e rappresenta uno dei motivi principali per cercare nuove strategie specifiche per l’AM. Inoltre, i progressi nelle simulazioni computerizzate, inclusa l’analisi degli elementi finiti (FEA), hanno portato a una maggiore affidabilità degli impianti personalizzati, che possono essere sottoposti a test biomeccanici virtuali applicando forze, confini e proprietà dei materiali definiti per prevedere aree di deformazione critiche che potrebbero essere soggette a fallimento, consentendo di migliorare la forma dell’impianto prima che venga prodotto4,5,6.

La progettazione di questi dispositivi prevede generalmente l'utilizzo di software di progettazione assistita da computer (CAD) per modellare l'oggetto finale in una sequenza ordinata di operazioni di modellazione 3D, partendo da una forma vuota e utilizzando come riferimento l'anatomia sottostante. Questo processo viene convenzionalmente definito “modellazione esplicita”. Assomiglia a un processo di disegno tecnico e dà come risultato una mesh con tassellatura e topologia definite dall'utente e la sequenza delle operazioni di progettazione implementate.

Recentemente, nuovi pacchetti software hanno implementato sofisticati algoritmi per rappresentare la geometria implicita. Matematicamente, una superficie implicita è definita da una funzione di volume continua F(x, y, z) = 0 a un livello infinito di dettaglio, il che implica che la superficie esiste all'interno della funzione matematica. La superficie si dice implicita quando l'equazione non è risolta per x, y e z. La geometria diventa esplicita quando l'equazione viene risolta e un'approssimazione di quella superficie viene rappresentata come un wireframe triangolato (mesh). La modellazione implicita si basa esclusivamente sulle funzioni di volume, rendendola un potente strumento per definire, modificare e rappresentare la geometria 3D senza eseguire direttamente il rendering di una complessa rete poligonale di vertici, bordi e facce. Pertanto, i corpi impliciti sono significativamente più facili da calcolare e mantengono la loro forma pura poiché non sono discretizzati in subunità geometriche, che non riescono a rappresentare accuratamente la continuità della superficie a costo di un utilizzo computazionale impegnativo. I corpi impliciti possono essere considerati entità legate a un valore all'interno di ciascun punto dello spazio 3D. Questo è simile al modo in cui i campi vengono utilizzati in fisica per definire variazioni continue di quantità come temperatura, elettromagnetismo o flusso. Ai fini della progettazione, il campo scalare definisce i corpi impliciti, i gradienti della geometria 3D. Attualmente, nTopology (nTopology Inc., New York, NY, USA) è l'unico software di progettazione ingegneristica che consente un approccio di progettazione basata sul campo, fornendo maggiore flessibilità per varie applicazioni complesse, tra cui la progettazione generativa computazionalmente impegnativa e le strutture reticolari7. Sebbene la progettazione generativa field-driven sia stata utilizzata in varia misura nella letteratura ingegneristica, si sa poco sulla sua applicazione nel settore sanitario8,9,10. Ad oggi, non ci sono segnalazioni di potenziali applicazioni chirurgiche e questo approccio non è stato implementato specificamente nella chirurgia orale e maxillo-facciale.