Fantommi DICOM stampati in 3D scalabili che imitano ossa e tessuti molli dei mammiferi marini

Perché un finto leone marino è importante

Dagli acquari oceanici ai centri di salvataggio, i veterinari si occupano di leoni marini della California che possono essere malati, feriti o avvelenati da fioriture algali tossiche. Prelevare sangue da questi animali potenti e sensibili è fondamentale per la diagnosi, ma difficile da imparare in sicurezza sui pazienti viventi. Questo studio descrive come i ricercatori hanno trasformato dati di diagnostica in un modello realistico stampato in 3D — o “fantoma” — della regione dell’anca di un leone marino. Il fantoma ha consistenza e comportamento simili al tessuto reale, offrendo ai tirocinanti uno strumento di pratica realistico e indicando la strada a nuovi modelli medici per animali e persone.

Trasformare le scansioni in forme solide

Il team ha iniziato con dettagliate scansioni TC e RM di un vero leone marino della California, fornite dal U.S. Navy Marine Mammal Program. Queste scansioni, archiviate nel formato medico standard DICOM, mostrano la densità di ciascun piccolo volume di tessuto, dalla morbida pannicola di grasso all’osso duro. Usando software specializzato, i ricercatori hanno “segmentato” le immagini, separando ossa e tessuti molli in base alla loro brillantezza nelle scansioni. Hanno quindi ripulito e levigato i modelli digitali, eliminato il tavolo d’esame e altri elementi di disturbo, e diviso lo scheletro in sezioni pratiche come zampe, pinne e pelvi e colonna vertebrale. Il risultato è stato un corpo inferiore digitale anatomicamente fedele, con particolare attenzione alla regione dove si preleva comunemente il sangue, appena dietro le ossa dell’anca.

Costruire un corpo stratificato dall’interno verso l’esterno

Invece di creare un unico blocco solido, i ricercatori hanno progettato il fantoma come quattro strati distinti che imitano l’anatomia reale: osso, muscolo, pannicola lipidica e pelle. Le forme ossee sono state esportate direttamente come file stampabili in 3D e realizzate a scala ridotta con stampanti stereolitografiche ad alta risoluzione. È stato progettato un guscio esterno flessibile attorno al corpo, svuotato per creare una cavità e aperto nella parte superiore in modo che ossa e tessuti molli potessero essere inseriti. Questo guscio svolge una doppia funzione: agisce come “pelle” visibile del fantoma e serve da stampo per colare i gel interni. Sono stati preservati punti di riferimento ossei naturali, come le vertebre caudali e le cavità delle pinne, in modo che lo scheletro potesse essere allineato con precisione all’interno del guscio, riproducendo la sensazione dei punti di riferimento reali su cui i clinici si affidano al tatto.

Far sembrare veri i tessuti finti

Per catturare come i tessuti del leone marino si deformano sotto un ago o una mano, il team si è rivolto a una famiglia di gelatine mediche chiare e riutilizzabili. Questi gel sono disponibili in diversi gradi, dal molto rigido al molto morbido. Utilizzando un analizzatore meccanico dinamico, i ricercatori hanno compresso piccoli campioni di gel in modo controllato per misurarne la rigidità e la dissipazione energetica sotto carichi ripetuti, simile a spingere e rilasciare tessuto vivente. Confrontando queste misure con le proprietà note della pannicola lipidica, del muscolo e dell’osso dei leoni marini, hanno scelto gel specifici per ciascuno strato: un gel più rigido vicino all’osso per simulare il tessuto connettivo resistente, un gel più morbido per il muscolo e un gel intermedio per lo spesso strato di grasso. Per lo scheletro è stata selezionata una resina plastica dura ma in qualche misura flessibile, mentre una resina trasparente ed elastica ha formato la pelle esterna, permettendo alle ossa interne di rimanere visibili durante la pratica.

Dal modello digitale al fantoma funzionante

Con materiali e geometria definiti, i ricercatori hanno assemblato il fantoma passo dopo passo. Per prima cosa hanno stampato le ossa e le hanno immerse in un gel rigido per rappresentare tendini e muscolatura strettamente legata vicino alle articolazioni. Il guscio di pelle trasparente è stato stampato separatamente. Poi hanno calcolato il volume dello spazio per grasso e muscolo all’interno del guscio a diverse scale per sapere quanto gel far sciogliere e versare. Lavorando in forni a vuoto e bagni di ghiaccio per controllare bolle e raffreddamento, hanno versato uno strato di pannicola lungo le pareti del guscio, posizionato lo scheletro nella sua posizione esatta e infine riempito lo spazio rimanente con un gel muscolare morbido. Dopo un giorno di polimerizzazione, hanno leggermente lucidato a caldo la superficie esposta per lisciarla senza deformare il guscio. Il modello finito corrispondeva da vicino al render 3D originale, ha tenuto bene durante la manipolazione e ha permesso agli utenti di sentire e vedere le strutture interne.

Cosa significa per la formazione e oltre

Per i tirocinanti, questo fantoma di leone marino offre un modo realistico per esercitarsi a individuare i punti di riferimento ossei e inserire gli aghi nel punto corretto, senza mettere a rischio animali vivi. Poiché il flusso di lavoro parte da immagini mediche di routine, può essere adattato ad altre regioni del corpo, altre specie e perfino a pazienti umani. Lo studio mostra anche come il design basato su immagini e materiali morbidi accuratamente testati possano riprodurre i tessuti viventi abbastanza bene per la formazione e, potenzialmente, per dispositivi soft-robotici o impianti su misura. In breve, i ricercatori hanno dimostrato una ricetta pratica per trasformare l’anatomia digitale in modelli tattili e scalabili che portano la sensazione della clinica o del centro di salvataggio oceanico nel laboratorio o nell’aula.

Citazione: Fisher, D., Minaian, N., McClain, A. et al. Scalable DICOM 3D-printed phantoms mimicking marine mammal bone and soft tissue. Sci Rep 16, 5929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36154-5

Parole chiave: fantoma stampata in 3D, leone marino della California, formazione veterinaria, imaging medico, gel che imitano i tessuti