BRAIN RETRACTION: dynamic-mechanical characterization of brain tissue and development of novel devices

Background. La retrazione cerebrale svolge un ruolo importante nella chirurgia cranica, ma i problemi che possono derivare da un'eccessiva retrazione non sono trascurabili. Il principale limite all'uso dei divaricatori cerebrali è la loro elevata possibilità di danno del parenchima: questo diventa particolarmente evidente negli interventi di tante ore che richiedono una retrazione di lunga durata. Possibili lesioni da retrazione cerebrale possono includere contusioni, ematomi ed emorragie che possono anche influenzare l’outcome del paziente. Obiettivi del progetto. Il primo nostro obiettivo era quello di studiare gli strumenti attualmente presenti per la retrazione cerebrale analizzandone vantaggi e svantaggi. Successivamente, l'obiettivo principale era creare un nuovo strumento di retrazione cerebrale e convalidarne l'uso nella chirurgia cranica. Un altro obiettivo era quello di sfruttare la visione endoscopica anche nella chirurgia transcranica progettando camere di lavoro perfettamente adatte per introdurre facilmente l'endoscopio fornendo al contempo una retrazione sicura per il cervello circostante. Per raggiungere questi risultati è stato quindi necessario condurre un accurato studio in fase preclinica con la collaborazione di un team multidisciplinare. Attività di ricerca e novità del progetto. L'attento studio di questo argomento, i test eseguiti in laboratorio di anatomia e di ingegneria, hanno permesso di creare nuovi strumenti tecnologici con molti vantaggi in campo neurochirurgico. La caratterizzazione meccanica dinamica del cervello permette di predire il comportamento meccanico del cervello umano sano e malato potendo anche prevedere ed eventualmente evitare complicanze per i pazienti. Grazie al progresso tecnologico nel campo della neurochirurgia, oggi la necessità di comprendere la correlazione tra la struttura del materiale e le relative proprietà viscoelastiche sta diventando sempre più cruciale anche al fine di sviluppare linee guida progettuali per la prossima generazione di biomateriali, per abbinare tessuti ed extra meccanica della matrice cellulare per modelli tissutali in vitro e applicazioni nella medicina rigenerativa. Conclusioni e prospettive future. La conoscenza del comportamento del parenchima cerebrale in risposta ad una forza di compressione è quindi importante per comprendere i meccanismi alla base del danno, le soglie pericolose e quindi la possibile prevenzione delle complicanze cerebrali. Quest'ultimo aspetto è stato fondamentale per poter realizzare nuovi strumenti chirurgici “intelligenti” che operino in sicurezza. Abbiamo quindi eseguito test su modellino preclinico, su cadavere e poi anche su animale; abbiamo infine studiato il parenchima cerebrale dal punto di vista istologico documentando il danno visibile causato dalla retrazione cerebrale. Questi steps sono stati fondamentali per poi procedere con la fase clinica sui pazienti: i prossimi passi saranno testare il prototipo della spatola sul paziente in sala operatoria e terminare gli ultimi test preclinici della camera. Confidiamo anche di depositare il brevetto per la nuova spatola entro la fine di quest'anno

Background. Brain retraction plays an important role in the cranial surgery, but the problems that can arise from excessive retraction are not negligible. The major limitation to the use of brain retractors is their high possibility of parenchyma’s damage: this becomes particularly evident in interventions of many hours that require a long-lasting spatulation. Possible lesions from cerebral retraction can include contusions, hematomas and haemorrhages that can also affect patient's outcome. Project Objectives. The first our goal was to study the instruments currently present for cerebral retraction by analysing their advantages and disadvantages. After this, the main objective was to create a new brain retraction tool and validate its use in cranial surgery. Another objective was to exploit endoscopic vision also in transcranial surgery designing work chambers perfectly suitable for introducing the endoscope easily while providing safe retraction for the surrounding brain. To achieve these results, it was therefore necessary to carry out an accurate preclinical phase study which also benefits from collaboration of a multidisciplinary team. Research activity and novelty of the project. The careful study of this topic, the anatomical and engineering laboratory tests, have made it possible to create new technological tools with many advantages in the neurosurgical field. The dynamic mechanical characterization of the brain allows to predict the mechanical behaviour of the human brain in health and disease also being able to foresee and possibly avoid complications for patients. Due to the continuous technological progress in the neurosurgery field, today the need to understand the correlation between the material structure and related viscoelastic properties is becoming ever more crucial also in order to develop design guidelines for the next generation of biomaterials, to match tissue and extra cellular matrix mechanics for in vitro tissue models and applications in regenerative medicine. Conclusions and future perspectives. The knowledge of the behaviour of the brain parenchyma in response to a compression force is therefore important in order to understand the mechanisms underlying the damage, the dangerous thresholds and therefore the possible prevention of brain complications. This last aspect was fundamental to be able to create new "intelligent" surgical instruments that operate safely. We therefore performed tests on preclinical model, on specimens and then also on animals; we finally studied the brain parenchyma from the histological point of view, documenting the visible damage of the cerebral retraction. These phases were essential to then proceed with clinical phase on patients: the next steps will be to test the prototyped spatula on patient in the surgical theatre and finish the last preclinical tests of the chamber. We also hope to file the patent for the new spatula by the end of this year.