Protesi articolari: progettazione e valutazione

Parole chiave: osteoartrosi, artrite reumatoide, sostituzioni articolari parziali o totali, protesi di anca/ginocchio/caviglia, ricostruzione di legamenti, tecniche chirurgiche, guide di preparazione ossee, strumentazione specifica del paziente, pianificazione pre-operatoria, immagini biomedicali, modelli ossei computerizzati, progettazione di protesi, protesi personalizzate, stampa 3D per materiali plastici e metallici, mobilità e stabilità articolare, valutazione sperimentale, in-silico/in-vitro /in-vivo, mobilità e stabilità articolare, navigazione chirurgica, chirurgia robotica, mobilizzazione protesica.

Modellazione di componenti di protesi articolari

La comprensione della meccanica delle articolazioni umane, e le relative progettazioni di sostituzioni protesiche sono supportate da modelli muscolo-scheleto-legamentosi computerizzati che sono stati sviluppati in laboratorio insieme alle tecniche di misurazioni strumentali, in particolare per le articolazioni di particolare complessità cinematica, come il ginocchio e la caviglia. Questi modelli possono simulare gli effetti di traumi o interventi chirurgici, e fornire un utile ausilio anche per l’interpretazione delle misurazioni relative. Inoltre, i modelli articolari cinematici e dinamici hanno contribuito notevolmente alla progettazione di nuove protesi articolari, per la prima volta fondata su una conoscenza dettagliata del complesso meccanismo osteo-legamentoso che guida la mobilità di queste articolazioni dell’arto inferiore. I primi prototipi di componenti protesiche articolari sono naturalmente testati tramite esperimenti in-vitro, per valutare la loro capacità di ripristinare la normale funzione articolare. In particolare è stata progettata, realizzata e testata in Laboratorio una protesi di caviglia (BOX Ankle, MATortho, UK), che attualmente viene utilizzata in numerosi centri ortopedici internazionali con risultati clinici molto soddisfacenti. Inoltre sono in fase di sviluppo e prova diversi nuovi prototipi per la sostituzione totale del ginocchio e della caviglia. Una più recente attività riguarda la progettazione e la prova di protesi su misura, da impiantare su pazienti che necessitano una sostituzione articolare di particolare specificità. Per fare questo vengono utilizzate le moderne tecniche di stampa 3D.  

Navigazione chirurgica

Questa moderna tecnica è un importante strumento al servizio dei chirurghi durante gli interventi, consentendo un’esecuzione più precisa della maggior parte delle azioni chirurgiche (allineamento delle componenti, preparazione dell’osso, ecc.) migliorando la visione diretta standard del paziente con nuove informazioni geometrico-anatomo-funzionali, in sala operatoria in tempo reale. Ciò si ottiene attraverso un semplice set di marcatori sterilizzabili rigidamente collegati con i segmenti ossei in preparazione e con gli strumenti chirurgici standard utilizzati, che sono monitorati nello spazio da un sistema di telecamere digitali che non ostacolano in alcun modo le procedure chirurgiche. La navigazione chirurgica intra-operatoria può inoltre essere collegata a una pianificazione pre-operatoria al calcolare dell’intervento, e anche alle varie attività di ricerca post-operatorie che si svolgono in Laboratorio, potendo fornire infatti, proprio durante l’intervento, preziose informazioni sull’articolazione protesizzata quali la configurazione geometrica finale dell’impianto e delle altre strutture anatomiche, la cinematica passiva, ecc. fondamentali per le complete analisi post-operatorie dei pazienti. Nel nostro Laboratorio sono in corso studi randomizzati sulle prestazioni di questi sistemi di navigazione in sala operatoria, nonché studi sulla loro accuratezza e ripetibilità. Questi sistemi sono utilizzati anche in indagini in-vitro per analizzare i pattern di tensionamento dei legamenti e di moto relativo articolare. Un’importante serie di nostri studi ha infine indagato in maniera del tutto originale la tracciabilità e la navigabilità della rotula durante interventi di navigazione del ginocchio, trasferendo un’intera nuova procedura dalla fattibilità in-vitro a studi clinici su pazienti.

Videofluoroscopia tridimensionale

Nel corso degli anni, l’analisi del movimento tradizionale è stata integrata con strumenti avanzati anche per la misurazione tridimensionale della cinematica delle articolazioni protesizzate, in particolare mediante la videofluoroscopia. Queste tecniche consentono infatti il monitoraggio 3D, durante attività motorie tipiche della vita quotidiana o in posizioni articolari estreme, della posizione e dell’orientamento delle componenti protesiche impiantate, con una accuratezza rispettivamente di un millimetro e un grado. Questa tecnica è stata utilizzata nella validazione di un certo numero di protesi d’anca, ginocchio e caviglia; oltre al tracciamento delle componenti metalliche fissate all’osso, anche l’inserto in polietilene frapposto è stato ricostruito mediante affissione di ulteriori piccoli marcatori radiopachi. La fluoroscopia 3D è stata utilizzata anche in combinazione con la tradizionale analisi del passo su base stereofotogrammetrica.

Radiostereometria

É disponibile anche la misurazione del micro-movimento relativo tra la componente protesica e il relativo osso, tecnica comunemente nota come radio stereometria (o Roentgen-Stereophotogrammetric-Analysis, o RSA). L’individuazione precoce di questo micro-movimento, durante i primi anni di storia del trattamento, si è dimostrata fondamentale per identificare i modelli protesici a rischio mobilizzazione delle loro componenti, e quindi destinati alla fine al loro fallimento. Per eseguirla, piccolissimi marcatori di tantalio vengono inseriti al momento dell’impianto nelle componenti protesiche e nel corrispondente osso, e le loro posizioni sono tracciate in 3D con elevata accuratezza da una doppia esposizione radiografica standard dell’articolazione protesizzata. Questo è dunque un ulteriore importante strumento per valutare le prestazioni dell’impianto in pazienti reali, in particolar modo per identificare con largo anticipo il successo o il possibile fallimento. La tecnica è stata applicata con successo per protesi articolari di anca, ginocchio e caviglia.

Contenuto aggiornato il 28/06/2016 - 10:31
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