Le attività del Laboratorio di Biomeccanica ed Innovazione Tecnologica inerenti la Computer Aided Surgery (CAS) si articolano in due differenti ambiti di ricerca:

• Sistemi per la chirurgia assistita da calcolatore e la navigazione chirurgica;
• Sistemi per la valutazione in-vivo ed in-vitro della cinematica e della stabilità articolare.

Sistemi per la Chirurgia Assistita da Calcolatore e la Navigazione Chirurgica

L'espressione Chirurgia Ortopedica Assistita dal Calcolatore, spesso abbreviata con l'acronimo CAOS (Computer Assisted Orthopaedic Surgery), denota sinteticamente un ampio gruppo di applicazioni che prevedono l'utilizzo del calcolatore allo scopo di rendere meno invasive, più efficaci, sicure ed affidabili le procedure chirurgiche in ambito ortopedico.

I sistemi CAOS prevedono soluzioni tecnologiche di diversa natura che fanno ricorso a sofisticate metodiche di imaging diagnostico, a dispositivi di tracking del movimento dell’arto e degli strumenti chirurgici ad elevato contenuto tecnologico ed all’elaborazione di dati multimodali (RMN, TAC, radiografie, US, etc.).

I progetti sviluppati più di recente presso il nostro laboratorio riguardano la chirurgia ricostruttiva dell’arto inferiore, con prevalenza per l’articolazione del ginocchio (protesica e soft-tissues) ed includono gli aspetti di innovazione sopra menzionati.

Knee Arthroplasty

Il protocollo di chirurgia assistita per l'artroplastica totale di ginocchio (TKA) è l'applicazione storicamente più importante sviluppata dal Laboratorio di Biomeccanica ed Innovazione Tecnologica nell'ambito della chirurgia assistita da calcolatore. Uno dei primi sistemi CAOS sviluppato nell'ambito della robotica prevedeva tre fasi principali, ottimizzate attraverso lo sviluppo di metodologie sempre più accurate:

•    pianificazione computerizzata dell’intervento;
•    registrazione intra-operatoria dell’anatomia del paziente;
•    esecuzione assistita della procedura chirurgica (mediante robot).

Recentemente i sistemi CAS si sono portati tutti verso lo sviluppo di sistemi per la navigazione chirurgica, che non prevedono più l’utilizzo di componenti robotiche attive e che permettono di ottenere interventi di chirurgia minimamente invasivi, altrimenti impossibili da conseguire.

Negli interventi di chirurgia mini-invasiva, in cui l'accesso all'anatomia del paziente è limitato, sono di grande utilità strumenti che consentono di amplificare le capacità percettive del chirurgo (realtà aumentata). Tali sistemi permettono di aumentare infatti il feedback visivo all'operatore, integrando immagini tratte dalla scena reale con strutture virtuali. In particolare con l’ausilio della navigazione è possibile ottenere:

•   un sostanziale miglioramento nell’allineamento dell’arto (l’allineamento finale ricade all’interno di una finestra che va da 3° di valgismo a 3° di varismo);
•   un miglior posizionamento dell’impianto protesico;
•   un tempo chirurgico paragonabile a quello di un intervento eseguito con chirurgia tradizionale;
•   una minore perdita di sangue grazie al mancato uso della guida intramidollare.

Anche i risultati clinici degli interventi di navigazione chirurgica, analizzati tramite score clinici, risultano migliori rispetto a quelli ottenuti con la chirurgia tradizionale, sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo perciò che riguarda le informazioni disponibili per il chirurgo.

Il Laboratorio di Biomeccanica ed Innovazione Tecnologica ha spostato pertanto negli ultimi anni l’attenzione verso lo sviluppo e la validazione clinica di sistemi di navigazione chirurgica di questo tipo; in particolare ha partecipato allo sviluppo e validazione clinica del sistema di navigazione per protesi monocompartimentale in collaborazione con DePuy International (J&J, USA) e di protesi totale in collaborazione con Orthokey LLC (Delaware, USA) (Fig. 1).

Sempre all’interno della navigazione chirurgica, un particolare sviluppo è stato dedicato all'intervento di revisione di protesi totale di ginocchio. Il sistema sviluppato non utilizza modelli dell'anatomia ricavati da immagini mediche pre-operatorie o intra-operatorie ma riporta sulla scena virtuale le sole informazioni effettivamente acquisite sul paziente durante l’intervento. Queste informazioni basilari vengono rappresentate come insiemi di punti notevoli e di assi che descrivono le caratteristiche principali dell'anatomia e forniscono al chirurgo i riferimenti fondamentali per poter effettuare l’intervento. Dopo una prima fase di registrazione, il sistema è in grado di proporre una pianificazione dell'intervento in termini di posizionamento e misure delle protesi, che il chirurgo potrà sia riprodurre sul paziente, sia modificare, ottenendo così una misura degli effetti delle modifiche apportate (Fig. 2). 

Sistemi per la Valutazione In-Vivo ed In-Vitro della Cinematica  e della Stabilità Articolare

    Le attività del Laboratorio inerenti i sistemi per la valutazione della cinematica e della stabilità articolare si articolano in due ambiti di progetto, a seconda della tipologia dello studio:

• studi della biomeccanica articolare in-vitro;
• studi della cinematica articolare in-vivo.

Studi della biomeccanica articolari in-vitro

In questi anni si sono svolti numerosi studi su preparati anatomici per la validazione di modelli biomeccanici e di ipotesi di funzionamento dell'articolazione per lo studio delle caratteristiche di singoli tessuti e del loro ruolo all'interno dell'articolazione, al fine di dare indicazioni accurate per l'ottimizzazione dei trattamenti clinici.

In particolare sono stati effettuati studi dell'anatomia dell'articolazione tibio-femorale, delle assi di rotazioni del ginocchio, della funzione dei legamenti crociati, della cuffia dei rotatori nella spalla, della cinematica e della stabilità dell’articolazione dell’anca (Fig 3).

Questi studi hanno permesso una migliore comprensione di applicazioni cliniche quali il release dei legamenti durante l'impianto di protesi, la posizione e l'orientazione dei tunnel nella ricostruzione di legamento crociato anteriore, il disegno protesico individuale e il contributo delle strutture molli alla stabilità dell’articolazione.

Studi della cinematica articolare in-vivo

Visto l’importanza  che lo studio accurato della funzionalità articolare riveste durante gli interventi di ricostruzione chirurgica, si sono condotte specifiche ricerche per lo sviluppo di nuove metodologie sulle valutazioni funzionali da effettuare durante l'intervento chirurgico.

In collaborazione con Orthokey LLC (Delaware, USA) abbiamo sviluppato un sistema di navigazione in grado di monitorare intra-operatoriamente la cinematica passiva del ginocchio, fornendo maggiori informazioni al chirurgo durante l'intervento e permettendo così interventi minimamente invasivi.

Lo scopo del sistema è di monitorare con un'elevata precisione la cinematica del ginocchio, creare una statistica di comportamenti cinematici pre e post-ricostruzione per comprendere gli effetti delle patologie sulla cinematica normale dell'arto, consentendo un miglioramento della tecnica di ricostruzione.

La metodologia proposta è stata utilizzata ampiamente nella ricostruzione del legamento crociato anteriore e nell'artroplastica di ginocchio, e prevede una procedura di acquisizione ed elaborazione in real-time ottimizzata per i test di lassità e di stabilità (Fig. 4).

La ricerca si è focalizzata principalmente sulla definizione di test clinici, utilizzabili intra-operatoriamente, che consentano di discriminare in maniera ottimale l'effetto della patologia nella cinematica normale del ginocchio, sulla ricerca di algoritmi di decomposizione della cinematica articolare per l'analisi dei test individuati e sullo studio di varie tecniche di ricostruzione tramite analisi statistica dei risultati ottenuti.

Questa metodologia di analisi è stata utilizzata in oltre 300 pazienti per la ricostruzione di legamento crociato anteriore con differenti tecniche e di artroplastica di ginocchio.

L’analisi della funzionalità articolare in condizioni in-vivo ci ha portato ad utilizzare il sistema di navigazione chirurgica per monitorare dati anatomici ed i parametri morfologici e cinematici specifici per ogni paziente, allo scopo di comprendere meglio la cinematica del ginocchio patologico in fase preoperatoria e protesizzato in fase postoperatoria e, sulla base delle informazioni acquisite, consentire un miglioramento del gesto chirurgico.

Obiettivo primario è identificare quei parametri che consentano di prevedere il bilanciamento legamentoso e di posizionare correttamente la protesi da impiantare.

I riferimenti finora utilizzati per posizionare le componenti, in particolare quella femorale, sono operatore-dipendenti e di conseguenza presentano una forte variabilità, ampiamente documentata in letteratura, dovuta alla difficoltà di individuarli con precisione e ripetibilità adeguata. Il sistema di navigazione viene quindi impiegato per individuare uno o più parametri cinematici, strettamente legati alla specificità di ogni paziente, che costituiscano una valida alternativa o addirittura, in futuro, possano sostituire gli attuali riferimenti anatomici (Fig. 5).