Cose chiave da sapere:
- La personalizzazione è fondamentale: Ogni protesi oculare deve essere adattata individualmente per adattarsi alla forma unica dell'orbita oculare e all'aspetto del paziente, migliorando sia la funzionalità che l'estetica.
- Progressi tecnologici: Integrazioni recenti come la tomografia a coerenza ottica (OCT) hanno migliorato significativamente il processo di progettazione, consentendo repliche altamente accurate della topografia e della colorazione dell'occhio.
- Stampa 3D: La produzione additiva ha apportato miglioramenti significativi nella produzione di protesi oculari, offrendo una qualità più costante e la possibilità di progetti complessi e personalizzabili.
- Validazione clinica: Gli studi, compresi quelli condotti dal Moorfields Eye Hospital NHS Foundation Trust, hanno confermato l'efficacia delle protesi progettate digitalmente nel migliorare la qualità della vita dei pazienti.
La perdita di un occhio o un grave danno ad un occhio possono portare alla necessità di una protesi oculare. Tecnicamente nota come protesi oculare, oggi circa lo 0.1% della popolazione mondiale indossa una protesi oculare. Esistono molti modi in cui gli occhi possono danneggiarsi, dai traumi agli occhi ciechi dolorosi e ai tumori oculari che non possono essere curati. La differenza nella struttura dell'occhio di ognuno significa che ogni protesi oculare deve essere personalizzata per il paziente. Il danno all'occhio porta a una differenza visibile nell'aspetto di una persona, quindi mentre una protesi non aggiunge alcuna funzione visibile/ripristina la funzione oculare, può portare un po' di tranquillità ai pazienti poiché i loro nuovi occhi forniscono benefici estetici.
Le protesi oculari vengono indossate sopra la congiuntiva dell'occhio e vengono tenute dalla palpebra. Il movimento dell'impianto è possibile grazie all'azione dei muscoli extraoculari. La protesi deve soddisfare una serie di requisiti, tra cui la sostituzione del volume orbitale dell’occhio e la fornitura di un livello accettabile di comfort al paziente. Anche la protesi deve essere realizzata prima che l’orbita oculare guarisca.
Comprensione degli impianti orbitali e degli occhi protesici
Nei casi di enucleazione o eviscerazione, in cui un occhio viene rimosso a causa di un danno o di una malattia, viene spesso utilizzato un impianto orbitale come base all'interno dell'orbita oculare. Questo impianto è attaccato con cura ai muscoli oculari ed è progettato per essere coperto dalla congiuntiva, fungendo da base stabile per l'occhio protesico. La protesi stessa è posizionata tra le palpebre e sopra l'impianto, consentendo un movimento naturale. Questa mobilità è dovuta principalmente al leggero attrito tra l’occhio protesico e la superficie liscia dell’impianto orbitale, che aiuta a imitare il movimento naturale di un occhio, fornendo non solo un restauro estetico ma anche un certo grado di normalità funzionale.
Progressi nelle protesi oculari
Un cambiamento significativo è stato osservato con l’integrazione della tomografia a coerenza ottica (OCT) nella progettazione delle protesi oculari. Questo la tecnologia aiuta a catturare con precisione la topografia dell'orbita oculare e la colorazione dettagliata dell'occhio esistente, garantendo che l'occhio protesico corrisponda il più fedelmente possibile all'aspetto originale del paziente. Questo progresso tecnologico supporta sia le esigenze estetiche che quelle funzionali garantendo un elevato grado di personalizzazione.
La natura personalizzata delle protesi oculari significa che sono disponibili solo determinati processi per realizzarle, poiché la protesi deve corrispondere alla forma dell'orbita oculare e all'aspetto dell'occhio del paziente. Sebbene siano disponibili protesi di occhi di serie, quelle personalizzate sono attualmente prodotte da oculisti altamente qualificati. Poiché questi processi si basano sulla competenza umana, la qualità della protesi dipende dalla maestria dell'ocularista, quindi la qualità della protesi può variare da ocularista a ocularista.
I recenti sviluppi hanno mostrato l'uso di processi di progettazione automatizzati e basati sui dati nella realizzazione di protesi oculari. Questi metodi utilizzano tecniche di imaging avanzate per produrre un modello digitale della protesi che si adatta perfettamente all'orbita oculare del paziente, riducendo significativamente la variabilità osservata con la lavorazione manuale e migliorando l'efficacia funzionale della protesi.
È ricercato essere in grado di digitalizzare e rendere possibile il processo con le macchine pur mantenendo la capacità di avere un alto grado di personalizzazione. Qui è dove Additivo di produzione può entrare perché offre un elevato grado di libertà di progettazione e può creare parti complesse e personalizzabili. L’uso della produzione additiva è in crescita nel settore medico e molte parti realizzate oggi sono biocompatibili e adatte all’uso clinico. Ce ne sono molti impiantabili dispositivi medici che sono stati creati con la produzione additiva e le protesi oculari sono una delle ultime aree a cui si è arrivati stampa 3D trattamento.
L’uso di tecnologie di stampa 3D a colori non solo semplifica il processo di produzione, ma migliora anche i risultati estetici e funzionali delle protesi oculari. Utilizzando un approccio di stampa multi-materiale, le protesi possono ora presentare gradienti strutturali realistici e transizioni di colore che imitano l'aspetto naturale dell'occhio umano, migliorando l'integrazione della protesi e la sicurezza di chi le indossa.
Approcci attuali per le protesi oculari
Allo stato attuale, gli attuali metodi di produzione utilizzano artigiani che creano protesi personalizzate attraverso un lavoro manuale qualificato. Il materiale comunemente scelto per le protesi realizzate a mano è il polimetilmetacrilato (PMMA). Questo processo richiede che l'oculista prenda un'impronta in alginato dell'orbita oculare del paziente per creare una forma in cera che si adatti all'orbita. L'iride viene quindi dipinta su un disco piatto e incorporata nella cera insieme a un'unità corneale in PMMA trasparente. Questo processo richiede circa 2 ore con il paziente in clinica e anche il modello in cera deve essere polimerizzato per 6 ore. Dopo la polimerizzazione, la protesi viene lucidata e in questa fase vengono apportate eventuali modifiche alla forma. L'intero processo richiede oltre 8 ore di lavoro manuale per realizzare una protesi con diversi gradi di qualità e compatibilità con il paziente.
Un altro metodo meno comunemente utilizzato è la soffiatura del vetro criolite bianco e dei vetri colorati per creare l'iride e le venature. Questa protesi viene realizzata manipolando il vetro riscaldato, ma la vestibilità e l'aspetto della protesi vengono valutati dopo che si è raffreddato. Il risultato è che la protesi appare più realistica di una protesi in PMMA, ma non può essere regolata per adattarsi all'orbita oculare del paziente dopo che si è raffreddata. Inoltre, poiché sono in vetro, si danneggiano e si rompono più frequentemente, quindi devono essere sostituiti più spesso.
Passare alla produzione additiva per la stampa di protesi oculari
La produzione additiva ha suscitato molto interesse nelle applicazioni in cui la personalizzazione è un fattore chiave. Ciò ha incluso dispositivi medici, come stent, protesi sferiche e altre protesi articolari. La forma e le proprietà dei materiali delle protesi oculari sono fondamentali per il lato funzionale della protesi, ma l'aspetto gioca un ruolo dal punto di vista personale.
Miglioramento della funzionalità protesica
L’integrazione dei flussi di lavoro digitali ha notevolmente migliorato gli attributi funzionali delle protesi oculari. La mappatura precisa della topografia dell'invasatura anoftalmica consente un adattamento più accurato, che migliora significativamente il comfort per chi lo indossa e ottimizza la longevità funzionale della protesi riducendo al minimo i potenziali problemi legati all'adattamento dell'invasatura.
Sono stati proposti vari approcci di stampa 3D per le protesi oculari, ma molti degli approcci fino ad oggi non hanno utilizzato un processo di progettazione digitale, automatizzato e basato sui dati che consideri sia la forma che l’aspetto. Invece di una previsione automatica della forma, le forme delle protesi sono generalmente progettate in CAD o altri software di modellazione 3D.
I ricercatori hanno ora sviluppato un approccio di stampa 3D, utilizzando un processo end-to-end automatico e digitale per progettare la protesi prima della stampa. L'approccio utilizza la tomografia a coerenza ottica (OCT) minimamente invasiva per acquisire la topografia dell'orbita anoftalmica, nonché l'anatomia e la colorazione dell'occhio normale. Dopo la progettazione, la protesi viene stampata utilizzando una stampante 3D multimateriale.
L'approccio di progettazione automatizzata utilizza un modello statistico di forma per prevedere e adattare al meglio la forma protesica sulla base di informazioni incomplete sulla superficie dell'orbita oculare. È stata utilizzata un’immagine caratterizzata dai colori dell’occhio sano per generare un aspetto dell’occhio protesico che corrispondeva direttamente all’occhio originale, ed è stata utilizzata una stampante 3D a colori per dare vita all’aspetto estetico.
Innovazioni nella progettazione protesica: uno sguardo più da vicino al processo digitale
Per comprendere meglio la tecnologia all'avanguardia dietro le protesi oculari, approfondiamo il processo di progettazione digitale che ha modernizzato il modo in cui vengono creati questi dispositivi. La Fig. 3 di seguito illustra il processo completo del software di progettazione basato sui dati utilizzato per sviluppare ciascun modello protesico personalizzato. Questo processo integra dati anatomici dettagliati con precisione tecnologica, garantendo che ogni protesi non sia solo esteticamente gradevole ma anche perfettamente adattata alle condizioni fisiche del paziente.
Le tecnologie di stampa digitale e 3D hanno trasformato il campo delle protesi oculari rendendole più accessibili e adattate alle esigenze individuali. La capacità di generare definizioni dettagliate di colore e struttura garantisce che ogni occhio protesico possa essere personalizzato non solo per l'adattamento ma anche per le sfumature estetiche, replicando fedelmente l'occhio naturale del paziente.
Anche il processo di progettazione digitale e stampa 3D delle protesi è stato dimostrato in a sperimentazione clinica in collaborazione con il Moorfields Eye Hospital NHS Foundation Trust. 10 pazienti clinici hanno preso parte allo studio e hanno esaminato l’impatto a lungo termine e le prestazioni delle protesi stampate in 3D rispetto alle protesi tradizionalmente realizzate.
a Paziente 5 che indossa un conformatore inserito all'interno dell'orbita oculare. b Immagine del paziente 5 che mostra la protesi stampata in 3D per l'occhio sinistro (nella foto a destra). c Una vista ampliata del modello protesico 3D. d–h Passaggi coinvolti nella previsione della forma: scansioni OCT iniziali dell'orbita oculare (d), dati sul volume filtrati per rivelare la superficie dello zoccolo (e), trasformazione dei dati in una mappa di profondità per l'allineamento (f), adattamento della forma alla superficie dell'invasatura (g), seguito dallo smussamento e dal perfezionamento della geometria (h). i–l Processo di creazione dell'iride: la geometria dell'iride catturata dall'OCT (i), rilevamento dei confini dell'iride e della pupilla (j), miglioramento della texture dell'iride per un migliore contrasto (k) e standardizzazione e mappatura UV della geometria dell'iride (l). m–q Sviluppo dell'immagine a colori e della struttura della sclera: l'immagine a colori originale (m), post-caratterizzazione e denoising dell'immagine migliorati e chiariti (n), segmentazione mediante la tecnica dello spartiacque (o), rimozione delle vene per un'estrazione più chiara del colore della sclera (p), rendering iniziali e finali della texture della colorazione e della rete di venature sviluppata (q, rispettivamente sinistra e destra).
Efficacia e vantaggi comprovati negli studi clinici
Sebbene uno dei vantaggi del processo di stampa 3D di progettazione digitale sia che richiede cinque volte meno manodopera rispetto all’oculista e produce risultati riproducibili, nel corso dello studio sono stati riscontrati altri vantaggi.
Innanzitutto, la stampante a colori calibrati ha permesso ai ricercatori di creare protesi in cui il colore, le dimensioni e la struttura dell’iride, nonché l’aspetto della sclera, erano replicati vicino all’occhio originale. In secondo luogo, l’uso della stampa 3D consente di stampare le protesi ovunque sia disponibile una stampante adatta, quindi le protesi potrebbero essere fornite in aree in cui i servizi non sono prontamente disponibili.
L’approccio della stampa 3D consente inoltre un risultato molto coerente rispetto all’approccio del lavoro manuale, che consentirà di produrre pezzi di ricambio più accurati quando le protesi vengono danneggiate. I ricambi manuali saranno spesso diversi dalle protesi originali, il che può causare complicazioni. L’approccio della stampa 3D elimina inoltre la necessità di impronte in alginato, poiché la forma dell’invasatura viene scansionata otticamente.
Infine, il flusso di lavoro digitale utilizzato ha consentito miglioramenti continui alle protesi per tutti i pazienti senza che l'oculista richiedesse una formazione aggiuntiva. La combinazione di più dati, dell'esperienza dell'oculista e del feedback del paziente ha consentito di perfezionare il software in modo da poter produrre continuamente forme migliori e replicare caratteristiche distinte dell'occhio.
Il passaggio a un flusso di lavoro digitale con la stampa 3D potrebbe consentire ai pazienti, come i bambini, che tradizionalmente non sono idonei per le protesi, di esserlo ora. Sebbene questo approccio automatico end-to-end sia stato utilizzato finora per progettare e produrre protesi oculari estetiche personalizzate, la capacità di tenere conto sia dell'adattamento della forma che del design estetico potrebbe aprire l'approccio ad altre protesi estetiche, come restauri dentali o facciali. protesi, nonché coperture per protesi più tradizionali che si adattano all'aspetto del paziente.
Convalida clinica
Il recente studio clinico condotto in collaborazione con il Moorfields Eye Hospital NHS Foundation Trust convalida l’efficacia pratica e la migliore qualità della vita fornita da queste protesi create digitalmente. I pazienti hanno riferito un’elevata soddisfazione per l’accuratezza estetica e il comfort delle loro nuove protesi, sottolineando l’importanza di integrare tecnologie di produzione avanzate nelle applicazioni mediche.
Riferimento:
Sagoo MS et al., Progettazione automatica basata sui dati e stampa 3D di protesi oculari personalizzate, Nature Communications, 15, (2024), 1360.