MTS aiuta i ricercatori biomeccanici a fornire ai chirurghi informazioni migliori prima dell'intervento chirurgico per la scoliosi.
SFIDA DEL CLIENTE
Circa quattro bambini su 1.000 svilupperanno una curvatura innaturale della colonna vertebrale che richiede un controllo medico. Uno di questi quattro alla fine avrà bisogno di un importante intervento chirurgico correttivo per la scoliosi. Questo intervento prevede la correzione fisica della curvatura spinale e la stabilizzazione tramite fusione vertebrale e/o l'inserimento permanente di strumentazione metallica.
L'Istituto di Tecnologia, Tallaght (ITT Dublin), è un'istituzione di livello universitario situata nel sud di Dublino, in Irlanda. Il Centro di tecnologia bioingegneristica (BTC, Bioengineering Technology Center) è un consolidato centro di ricerca all'interno della Scuola di ingegneria dell'ITT che offre un'istruzione intensiva a una manciata di studenti che conseguono lauree avanzate in ingegneria biomeccanica. Una degli studenti è Nor Amalina Binti Muhayudin. Ha iniziato gli studi magistrali presso il BTC nel gennaio 2009, alla ricerca di nuovi metodi per la diagnosi della scoliosi.
Storicamente, la diagnosi della scoliosi ha comportato una tecnica di misurazione bidimensionale (2D) nota come angolo di Cobb. Questa tecnica richiede l'utilizzo di un'immagine della colonna vertebrale 2D per identificare la vertebra più inclinata sopra e sotto l'apice della curvatura nel piano frontale e il disegno di linee lungo le vertebre più inclinate superiore e inferiore. Quando vengono tracciate due linee perpendicolari a queste linee, l'angolo creato nel punto in cui queste si intersecano è l'angolo di Cobb.
Tuttavia, le misurazioni dell'angolo di Cobb non possono quantificare l'angolo di rotazione vertebrale della colonna vertebrale, che è una misurazione essenziale per la diagnosi e il trattamento della scoliosi. La sfida di Muhayudin era sviluppare un bioprototipo spinale dettagliato per ogni paziente. Questo prototipo potrebbe fornire una diagnosi completa e tridimensionale (3D) prima di un intervento chirurgico correttivo maggiore, compresi i dati sull'angolo di rotazione vertebrale.
"Ad oggi, i chirurghi sono entrati in sala operatoria con informazioni limitate sul grado di curvatura della colonna vertebrale di un paziente, il che significa che hanno dovuto dedicare tempo a queste valutazioni durante l'intervento", dice Muhayudin. "La mia ricerca mira a fornire un calcolo preciso di quanta forza sarà necessaria per raddrizzare una colonna vertebrale prima di entrare, riducendo i tempi dell'intervento. Questi dati potrebbero anche portare a migliori risultati a lungo termine per i pazienti, perché possono aiutarci a prevedere meglio le possibili ricadute sotto carichi e movimenti spinali naturali nel tempo".
SOLUZIONE MTS
Nel marzo 2009, BTC ha aggiornato le sue capacità di prove meccaniche relativi alla colonna vertebrale acquistando un sistema di prova MTS Bionix® con controlli MTS FlexTest® e software MTS MultiPurpose TestWare® (MPT).
Poiché per motivi etici non poteva essere utilizzata una colonna vertebrale cadaverica, Muhayudin ha iniziato la sua ricerca sviluppando una colonna vertebrale artificiale realistica da utilizzare con il nuovo sistema di prova Bionix. Ha eseguito una TAC 3D della regione medio-toracica di una colonna vertebrale pediatrica e ha fabbricato un prototipo utilizzando una macchina SLS (Select Laser Sintering, sinterizzazione laser selettiva). Il prototipo è stato ingrandito del doppio delle sue dimensioni per adattarsi al dispositivo di prova Bionix. Una colonna vertebrale artificiale è stata costruita da uno stampo del prototipo, fabbricato con materiali in poliuretano e silicone.
Il sistema di prova Bionix può essere utilizzato per simulare una gamma completa di movimenti della colonna vertebrale artificiale e di altri campioni in sei gradi di libertà, inclusi spostamenti assiali, flessione, estensione, flessione laterale e torsione. Le celle di carico acquisiscono i dati di prova quando vengono applicate le forze e i momenti.
"Con il nuovo sistema di prova MTS, Nor può ora applicare un precarico a un campione di colonna vertebrale per identificare con precisione le forze necessarie per riportare la colonna vertebrale in un allineamento naturale durante l'intervento", afferma la dottoressa Fiona McEvoy, fondatrice del BTC. "Questo processo rappresenta un potenziale enorme: potrebbe permetterci di sapere con maggior precisione cosa sarà richiesto durante una procedura di fusione spinale, in base alla curvatura unica della colonna vertebrale di ciascun paziente".
Il metodo di caratterizzazione di Muhayudin è l'opposto della convenzionale prova della colonna vertebrale: invece di applicare forze e momenti alla colonna vertebrale artificiale, usa lo spostamento come modalità di controllo. Le forze e i momenti risultanti che agiscono sul campione della colonna vertebrale determinano il grado di spostamento con ciascun caso di scoliosi, consentendo ai chirurghi di quantificare la forza e la coppia necessarie per correggere in modo ottimale la curvatura.
VANTAGGI PER IL CLIENTE
Muhayudin afferma che, se la sua nuova tecnica di diagnosi verrà poi convalidata e utilizzata sul campo, il risultato finale saranno procedure di fusione spinale più rapide e fluide e migliori prognosi del paziente a lungo termine. "Prevediamo che questa nuova tecnica ridurrà il tempo in sala operatoria del 25%, il che è significativo, considerando che questi interventi possono richiedere fino a 12 ore", afferma.
"Questo risparmio di tempo aiuterà a ridurre significativamente il rischio di infezione e ad accelerare i tempi di recupero, per non parlare del potenziale impatto positivo sulla produttività del chirurgo".
Muhayudin inizierà presto a utilizzare le colonne vertebrali di animali vivi per convalidare i risultati della sua ricerca. Ciò richiederà l'aggiunta di una camera ambientale con bagno salino al sistema di prova Bionix, come mezzo per preservare i campioni biologici e migliorare la precisione della simulazione delle condizioni della colonna vertebrale in vivo.
"È molto emozionante il fatto che possa essere prodotto un prototipo artificiale per ogni paziente sottoposto a chirurgia di fusione spinale", afferma. "Stiamo aprendo nuove strade, ed è fantastico che un sistema di prova così complesso sia così facile da usare. Ciò mi consente di dedicare più tempo alla mia ricerca e meno tempo a cercare di padroneggiare le apparecchiature di prova.
