Chirurgia più intelligente per i bambini con disturbi al cranio
Le anomalie cranio-facciali infantili associate alla fusione prematura delle ossa del cranio rientrano tra le craniostenosi(si apre in una nuova finestra). Colpiscono un neonato su 1700 e le deformazioni craniche che ne derivano possono portare a gravi complicazioni di salute, tra cui perdita della vista, ritardi nello sviluppo neurologico e difficoltà respiratorie. Gli approcci chirurgici tradizionali mirano a rimodellare il cranio e ad alleviare la pressione. Ciò comporta di solito l’uso di dispositivi esterni o interni. Tuttavia, la previsione degli esiti di questi interventi è rimasta una sfida a causa della variabilità delle proprietà dell’osso e delle complesse interazioni biomeccaniche.
Modelli di calcolo ad alta precisione
Il progetto CAD4FACE, finanziato dal CER, si proponeva di sviluppare un quadro computazionale per simulare i teschi cranio-facciali dei bambini e guidare l’intervento chirurgico sulla base specifica del paziente. Un obiettivo chiave era quello di comprendere le proprietà biomeccaniche delle ossa del cranio nei bambini nati con craniostenosi. A tal fine, il team di ricerca ha raccolto più di 300 campioni ossei durante gli interventi chirurgici eseguiti al Great Ormond Street Hospital(si apre in una nuova finestra) da oltre 250 bambini. Questi campioni sono stati sottoposti a imaging ad alta risoluzione e a test meccanici per studiare le proprietà strutturali e materiali delle ossa dei bambini affetti. I dati generati hanno informato i modelli computazionali che simulano il rimodellamento del cranio dopo l’intervento chirurgico e predicono gli esiti chirurgici specifici del paziente. Nell’addestramento del modello sono stati inclusi anche dati retrospettivi sulla crescita della testa provenienti da interventi di cranio-plastica. «Combinando l’imaging ad alta risoluzione con test biomeccanici su campioni di cranio pediatrico, abbiamo creato modelli in grado di simulare la forma del cranio post-operatoria con elevata precisione», spiega la ricercatrice principale Silvia Schievano.
Innovazioni del progetto
Molti degli strumenti di CAD4FACE stanno passando dalla ricerca all’uso clinico. Un importante passo avanti è stato lo sviluppo di nuovi dispositivi cranio-facciali realizzati in Nitinol(si apre in una nuova finestra), una lega a memoria di forma. Questi dispositivi, progettati e ottimizzati attraverso test in silico, forniscono una forza continua e delicata per rimodellare il cranio, offrendo un’alternativa meno brusca alle soluzioni convenzionali in acciaio. Il progetto ha inoltre fornito un modello di apprendimento automatico addestrato su oltre 3000 interventi chirurgici virtuali simulati. Questo strumento di intelligenza artificiale è in grado di prevedere gli esiti chirurgici in tempo reale, fornendo un sistema di supporto decisionale rapido per i medici. «Abbiamo eliminato gli ingegneri e l’onere computazionale dall’equazione», sottolinea l’autrice. «I chirurghi possono ottenere un feedback immediato sull’impatto che le diverse opzioni chirurgiche potrebbero avere sulla forma della testa, consentendo una pianificazione più sicura». Oltre alle simulazioni, CAD4FACE ha aperto la strada all’integrazione della realtà virtuale e aumentata (VR/AR) nella chirurgia cranio-facciale. Questi strumenti consentono ai chirurghi di pianificare le procedure a distanza, di visualizzare i risultati previsti e persino di proiettare i piani chirurgici ottimali direttamente sulla testa del paziente durante le operazioni. La VR viene utilizzata anche per migliorare la comunicazione con le famiglie, consentendo loro di visualizzare le condizioni del bambino e i risultati attesi in modo più accessibile. Per il futuro, dice la ricercatrice: «L’integrazione di tecnologie come la modellazione computazionale, l’apprendimento automatico e le realtà estese è destinata a trasformare la chirurgia cranio-facciale, rendendola più personalizzata, più sicura e con risultati migliori. Questo è particolarmente cruciale per i bambini nati con anomalie cranio-facciali, dove la precisione e l’impatto a lungo termine sono fondamentali.»
Impiego e prospettive future
Diverse innovazioni del progetto hanno raggiunto la maturità traslazionale e sono pronte per una più ampia traduzione clinica. Gli strumenti VR/AR vengono impiegati in corsi di insegnamento/formazione per sostenere l’adozione della pianificazione chirurgica personalizzata in tutta Europa. Il nuovo dispositivo in Nitinol è in fase di approvazione first-in-child, mentre è in corso la collaborazione con partner industriali. In prospettiva, il team prevede di espandere i modelli di apprendimento automatico, esplorare dispositivi di nuova generazione e continuare a convalidare i propri strumenti attraverso studi clinici. Attraverso la pipeline CAD4FACE, sperano di personalizzare la chirurgia cranio-facciale e migliorare i risultati clinici dei bambini affetti da craniostenosi.
