La stampa 3D viene impiegata oggi anche nella lotta contro il cancro. Succede a Trento, presso il Centro di Protonterapia di APSS (Azienda Provinciale per i Servizi Sanitari) dove sono in fase di valutazione e validazione alcuni dispositivi sviluppati e stampati in 3D presso ProM Facility. Le tecnologie e i materiali in dotazione al laboratorio di prototipazione rapida e stampa 3D del Polo Meccatronica a Rovereto, l’incubatore high-tech di Trentino Sviluppo, hanno permesso la creazione dei prototipi di alcuni particolari strumenti per facilitare il lavoro quotidiano dei medici, dei fisici e dei tecnici ospedalieri che ogni giorno curano decine di pazienti.
La genesi del progetto
Il progetto nasce da un bando della Fondazione VRT – Valorizzazione della Ricerca Trentina, vinto dall’Università di Trento e che ha coinvolto in qualità di partner Trentino Sviluppo attraverso ProM Facility, e l’Azienda Provinciale per i Servizi Sanitari tramite il Centro di Protonterapia. L’idea di base era quella di capire se e come le tecnologie presenti nel laboratorio di prototipazione meccatronica potessero venire utili alle applicazioni mediche del centro trentino per la cura del cancro. In un settore di nicchia come quello della protonterapia, che vede solo due centri specializzati in tutta Italia (oltre a quello trentino ne è presente soltanto un altro a Pavia), trovare dispositivi alternativi a quelli presenti sul mercato, da customizzare in base alle proprie esigenze, è quasi impossibile. In quest’ottica, la presenza in Trentino di un laboratorio all’avanguardia, con tecnologie e competenze di altissimo livello che lo rendono un unicum non solo in Italia, ma a livello internazionale, ha rappresentato quindi un’occasione imperdibile per tutti gli attori in campo. La rete trentina della ricerca e dell’innovazione si è messa in moto, portando alla creazione di alcuni dispositivi che non solo aiutano nel proprio lavoro gli operatori del centro e alcuni ricercatori del TIFPA (Trento Institute for Fundamental Physics and Applications), ma che permetteranno soprattutto di fare un passo avanti in termini di innovazione all’intero settore della protonterapia.
Il fantoccio per il QA giornaliero
Il primo pezzo ad esser stato creato è un prototipo di fantoccio che potrebbe essere impiegato nelle procedure di Quality Assurance (QA) giornaliere del macchinario per il trattamento protonterapico. Si tratta di un oggetto di forma irregolare, costituito da cubi e cunei di varie dimensioni che ogni mattina viene montato su un rilevatore e sul quale vengono erogati dei fasci di protoni. Questi fasci, attraversando diversi spessori e geometrie, danno una distribuzione di dose che viene impressionata sul rilevatore. Dall’analisi di questa distribuzione si possono capire posizione e profondità di penetrazione del fascio oltre all’output della macchina, che, se corretti, danno il via libera agli operatori per partire con i trattamenti giornalieri. Funge in pratica da test e serve per controllare che il macchinario sia impostato nella maniera giusta prima di poterlo utilizzare sui pazienti. Uno strumento di questo tipo il Centro di Protonterapia di Trento lo aveva già ed era costituito da più volumi di PMMA (Polimetilmetacrilato) incollati l’uno all’altro. L’idea era quella di riprodurlo in un altro materiale e con una consistenza più compatta (possibilmente monopezzo) e omogenea. L’unica tecnica che poteva essere utilizzata per raggiungere questi risultati era la stampa 3D. Per svilupparlo i tecnici di Prom Facility hanno scelto il PA12 e hanno utilizzato una stampante HP Multijet 4200 che permette di creare oggetti anche di grandi dimensioni e senza la necessità di supporti. Il nuovo fantoccio, che non è ancora utilizzato per la pratica clinica, è adesso in fase di validazione.
I modulatori di range
ProM facility ha contribuito anche allo sviluppo dei modulatori di range, ovvero dei dispositivi costituiti da una serie di spilli posizionati l’uno di fianco all’altro che hanno la capacità di allargare in profondità l’area utile del fascio di protoni. Il loro compito è quello di fare in modo che i protoni raggiungano tutti la stessa profondità in un’area circoscritta, così da colpire in modo uniforme il bersaglio, minimizzando l’esposizione delle zone limitrofe. Questi dispositivi trovano ad oggi impiego in esperimenti condotti presso la sala di ricerca di cui il Centro di Protonterapia è dotato. Come si può intuire, dispositivi di questo tipo necessitano di un livello di risoluzione molto elevato che, in questo caso specifico, si attesta attorno al micron. Una precisione che ProM Facility, grazie ai macchinari di cui dispone, è in grado di fornire. Per i modulatori sono state sfruttate due tecnologie. La prima è quella della stampa stereolitografica (SLA) che, utilizzando la resina, è molto precisa e presenta una densità molto simile a quella del corpo umano. Per validare dimensionalmente i dispositivi è stato poi utilizzato un tomografo computerizzato industriale (Zeiss Metrotom), che permette di scansionare in tre dimensioni sia la parte esterna di un oggetto, sia quella interna. Uno strumento molto utile per verificare il volume di solidi dalla forma irregolare.
Le mire per il posizionamento del lettino
Il terzo dispositivo creato da ProM Facility non ha un impiego in ambito dosimetrico, come quelli visti in precedenza, bensì è usato per valutazioni di tipo geometrico. Sono delle lastre di plexiglas (PMMA) su cui sono fissate delle mire metalliche che servono per fornire dei punti di riferimento sul lettino e determinarne lo spostamento quando si muove dalla posizione di trattamento a quella di imaging TAC, nell’ambito di una campagna di rilievo topografico. Siccome non esistevano dispositivi commerciali di questo tipo, la collaborazione con il laboratorio di Polo Meccatronica ha dato la possibilità di definire una geometria delle mire specifica e customizzata per l’uso richiesto. I dispositivi, come dicevamo in precedenza, sono costituiti da una lastra in PMMA, che è stata tagliata tramite una taglierina laser a CO2 per materiali plastici. All’interno di questa tavoletta sono presenti degli inserti in plastica PA12 (creati con la HP Multijet) sui quali sono innestati dei coni in acciaio Inox AISI 316L. I coni, che fungono da puntatori, sono stati realizzati con una stampante 3D SLM (Selective Laser Melting), che sfrutta il laser per fondere il metallo e permette, con una grandissima precisione, di dar vita agli oggetti uno strato alla volta, layer by layer.
Il sistema meccatronico per l’allineamento automatico
L’ultimo dispositivo, che è ancora in fase di realizzazione, è un sistema meccatronico di allineamento automatico di un rilevatore planare usato per la dosimetria di fasci di protoni. Viene posizionato al posto del lettino di trattamento e fa ruotare il rilevatore in modo solidale con la direzione di erogazione del fascio di protoni, assicurando che rimangano sempre perpendicolari l’uno all’altro. Fino ad ora questa operazione di controllo viene eseguita manualmente da un operatore e richiede molto tempo. Con lo strumento ideato in ProM Facility sarà possibile, una volta ultimato e validato, procedere in modo automatico, veloce e accurato. I tecnici del laboratorio di prototipazione hanno seguito il progetto nella sua interezza, dallo sviluppo dell’elettronica, del software e dell’hardware (quest’ultimo stampato in PA12 perché i circuiti metallici a contatto con i protoni diventerebbero maggiormente radioattivi rispetto alla plastica a causa della maggior densità del materiale di cui sono costituiti), fino alla stampa finale del dispositivo in PA12.
ProM Facility e il Centro di Protonterapia: due eccellenze trentine
ProM Facility è nata nel 2017 dalla collaborazione fra la Provincia autonoma di Trento, Trentino Sviluppo, Fondazione Bruno Kessler, Confindustria Trento e Università degli Studi di Trento per offrire alle aziende della filiera meccatronica una piattaforma integrata per la progettazione, lo sviluppo, la realizzazione, la verifica e la validazione di sistemi e processi produttivi, avvalendosi di tecnologie e principi dell’I4.0. La Facility, grazie all’impegno di fondi europei regionali FESR per un valore complessivo di quasi 6 milioni di euro, dispone di macchinari innovativi per la prototipazione rapida di sistemi meccatronici completi, tra cui la stampa 3D metallica e polimerica, il taglio laser di tubi e lamiere, nonché di avanzati sistemi di metrologia quali la tomografia a raggi X e scanner 3D.
La protonterapia è una forma particolare di radioterapia che, sfruttando le caratteristiche fisiche dei fasci di protoni, consente di conformare la dose al bersaglio, risparmiando al comtempo effetti collaterali acuti e cronici ai pazienti. È particolarmente indicata per il trattamento di tumori del sistema nervoso centrale, del distretto testa-collo, della colonna vertebrale, per patologie radioresistenti dove è necessaria una dose molto elevata, per i tumori solidi pediatrici, linfomi e patologie polmonari. Nel Centro di Protonterapia dell’Azienda Provinciale per i Servizi Sanitari di Trento, che ha iniziato la propria attività clinica nell’ottobre del 2014, vengono curati ogni anno circa 300 pazienti. Il 75% di loro proviene da fuori provincia (anche da Paesi UE ed extra-UE), mentre il 25% è costituito da bambini.
