Development of 3D Printed Sensor-Based Tools to Enhance Neurosurgical Learning Experience

The endoscopic transsphenoidal approach (ETA) is a novel approach used by both neurosurgeons and otolaryngologists to treat the pituitary adenoma, a tumor that grows near the pituitary gland. It is well recognized that ETA has a long learning curve, which requires integrated and specific training. A review of the literature was conducted to investigate all the different training solutions that are available to surgeons to gain experience, besides entering the operating room and learning on the field. From the results of the review the aims of this thesis were defined: to develop of a sensor-based system to overcome the lack of a proper representation of the arachnoid in a training solution and to study the mechanical properties of the pituitary adenoma, by developing a new surgical instrument, so to both help surgeons during the surgery and to find a more accurate representation of the tumor in future training models. The first part of the thesis describes the development of the 3D printed sensorized system to reproduce the arachnoid, from the first prototype to the final version tested with experienced surgeons. The final version of such system, named “tank”, was designed and 3D-printed on a Stratasys Dimension BST1200es in ABS, to ensure better water tightness. The tank was designed to be mounted to the training model, in order to increase realism. The aim of this innovative system is to evaluate the force applied by the surgeon when pressing the membrane and to find a threshold value, above which the force exerted can be dangerous for the patient. To measure the force applied to the membrane, a pressure sensor was connected to the tank to register the variation of pressure of the cerebrospinal fluid induced by an external force on the polymeric arachnoid membrane. The system was then characterized using an indenter with a load cell mounted, which records the contact force. Using a curette mounted on a micrometric slide, the polymeric film was pressed as in real surgery. Then, the model with the tank equipped was tested by eleven international surgeons, and a first threshold value above which the force exerted by the surgeons breaks the arachnoid was determined. The second part of the thesis describes the design of a novel instrument to test the hardness of the pituitary adenoma intraoperatively. The instrument, named “probe”, consists of three parts: a rigid case, which was 3D printed in PLA, a magnet with a tunnelling magneto-resistive (TMR) sensor and a highly deformable tip. The idea is to measure the hardness of materials through the deformation of the tip when a known displacement is applied. Using a TMR sensor with a magnet fixed on a highly deformable tip, it is possible to determine the deformation of the tip according to the movement of the magnet. In particular, the harder the sample tested, the greater the deformation of the tip. The main challenge of this project is to develop a probe with a maximum diameter of 5 mm, capable of fitting within the nasal cavities to perform intraoperative tests. The probe was fabricated by Fused filament fabrication (FFF) additive manufacturing. The case was made in PLA, while the tip was made in flexible TPU. Three prototypes were designed and tested: the first was developed to determine whether the system is capable of discerning different soft materials, i.e. silicones, but the overall diameter of the instrument was not suitable. With the second prototype the design was improved to fit the probe within the nasal cavities, and tests were performed using an egg white sample. The development of the final prototype focused its attention on the fabrication process of the tip: in particular, the goal was to enhance the sensitivity of the instrument, without losing its stability. An optimal combination of the printing parameters and the design of the tip was found.

L'approccio endoscopico transsfenoidale (ETA) è un metodo innovativo utilizzato da neurochirurghi e da otorinolaringoiatri per trattare l'adenoma ipofisario, un tumore che cresce vicino alla ghiandola pituitaria. È ben noto che l'ETA ha una lunga curva di apprendimento, che richiede un training specifico. È stata condotta una revisione della letteratura condotta per investigare tutte le diverse soluzioni di training disponibili per i chirurghi per acquisire esperienza, oltre a entrare in sala operatoria e imparare sul campo. Dai risultati della revisione sono stati definiti gli obiettivi di questa tesi: sviluppare un sistema con sensori capace di riprodurre l’aracnoide e studiare le proprietà meccaniche dell'adenoma ipofisario, sviluppando un nuovo strumento chirurgico. La prima parte della tesi descrive lo sviluppo del sistema sensorizzato stampato in 3D per riprodurre l'aracnoide, dal prototipo alla versione finale testata con chirurghi esperti. La versione finale, denominata tank, è stata stampata in 3D su una Stratasys Dimension BST1200es in ABS. Il tank è stato progettato per essere montato su un modello di training, al fine di aumentare il realismo. L'obiettivo di questo sistema innovativo è valutare la forza applicata dal chirurgo quando preme la membrana e trovare un valore soglia, oltre il quale la forza esercitata può essere pericolosa per il paziente. Per misurare la forza applicata alla membrana, un sensore di pressione è stato collegato al tank per registrare la variazione di pressione del liquido cerebrospinale indotta da una forza esterna sulla membrana aracnoidea polimerica. Il sistema è stato poi caratterizzato utilizzando un indentatore con una cella di carico montata, che registra la forza di contatto. Utilizzando una curette montata su un vetrino micrometrico, la membrana è stata premuta come in un intervento chirurgico reale. Successivamente, il modello con il tank equipaggiato è stato testato da undici chirurghi internazionali, e un primo valore soglia oltre il quale la forza esercitata dai chirurghi rompe l'aracnoide è stato determinato. La seconda parte della tesi descrive la progettazione di un nuovo strumento per testare la durezza dell'adenoma ipofisario durante l'intervento. Lo strumento, denominato "sonda", è composto da tre parti: un guscio esterno rigido, stampata in 3D in PLA, un magnete con un magnetoresistore (TMR), ed una punta deformabile. L'idea è di misurare la durezza dei materiali attraverso la deformazione della punta quando viene applicato uno spostamento noto. Utilizzando un sensore TMR con un magnete fissato su una punta altamente deformabile, è possibile determinare la deformazione della punta in base al movimento del magnete. In particolare, più duro è il campione testato, maggiore sarà la deformazione della punta. La principale sfida di questo progetto è sviluppare una sonda con un diametro massimo di 5 mm, capace di adattarsi alle cavità nasali per eseguire test intraoperatori. La sonda è stata fabbricata mediante la produzione additiva modellazione a deposizione fusa. Il guscio esterno è stato realizzato in PLA, mentre la punta è stata realizzata in TPU. Sono stati progettati e testati tre prototipi: il primo è stato sviluppato per determinare se il sistema è in grado di discernere diversi materiali morbidi, ma il diametro complessivo dello strumento non era adatto. Con il secondo prototipo, il design è stato migliorato per adattare la sonda alle cavità nasali e sono stati eseguiti test utilizzando un campione di albume d'uovo. Lo sviluppo del prototipo finale si è concentrato sul processo di fabbricazione della punta: in particolare, l'obiettivo era migliorare la sensibilità dello strumento senza perdere la sua stabilità. È stata trovata una combinazione ottimale dei parametri di stampa e del design della punta.