Il progetto GAP ha origine dalla collaborazione attiva tra centri di ricerca nazionali ed internazionali e dall’unione di competenze differenti ma sinergiche. GAP, dall’inglese image-Guided computational and experimental Analysis of fractured Patients, si pone un obiettivo ambizioso: ottenere una diagnosi precoce delle patologie ossee ed assistere il personale clinico nel processo terapeutico. GAP nasce all’inizio del 2020 per rispondere all’esigenza ospedaliera del Gruppo San Donato (Istituto Ortopedico Galeazzi, Milano) di limitare le criticità indotte dalle fratture da fragilità ossea, in preoccupante aumento a causa dell’incremento dell’età media della popolazione. Infatti, le previsioni indicano un aumento di tali fratture in Italia del 22,4% entro il 2030. Oltre alla drammatica incidenza delle stesse sulla popolazione, in particolare sulle donne, emerge un serio problema di natura economica e psicosociale. Da un lato, infatti, l’incremento dei casi di ospedalizzazione impatta esponenzialmente sul sistema sanitario, dall’altro la perdita di mobilità e di indipendenza costituisce un’importante causa di declino psicologico da parte del paziente.

Attualmente, in ambito clinico le fratture da fragilità ossea sono riconosciute e trattate con evidente ritardo, con prognosi spesso severa. Le attuali tecniche di imaging diagnostico, quali le radiografie oppure la densitometria assiale a raggi X, lavorano con una risoluzione nell’ordine di grandezza dei millimetri, inadeguata ad individuare l’insorgere di micro-fratture, che rappresentano l’effettiva origine del fenomeno di infragilimento osseo. Inoltre, le valutazioni risultano spesso affette dalla soggettività dei clinici.

Il progetto nasce nel Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, grazie all’esperienza della professoressa Vergani, coordinatrice della ricerca con decennale esperienza specifica nella meccanica della frattura ed al contributo della dottoranda Federica Buccino, la cui attività di ricerca coniuga l’aspetto meccanico con il settore biomedicale oggetto del problema.
Al fine di descrivere al meglio il piano d’azione di GAP, è cruciale porsi alcuni quesiti:

Qual è l’idea di GAP per alleviare il fardello delle fratture ossee?
Al fine di ottenere una diagnosi precoce delle patologie ossee e ridurre l’impatto socio-economico delle fratture, è necessario agire prima che la frattura richieda un intervento massivo da parte dei clinici. Per questa ragione, il focus dell’attività è la micro-scala ossea, sede di micro-porosità (lacune), il cui ruolo nei meccanismi di danneggiamento non è ancora stato chiarito. Visualizzare l’architettura del network lacunare, approfondire e simulare l’inizio del micro-danneggiamento ed infine predirne l’evoluzione alla multi-scala, risultano fattori di grande interesse sia biomeccanico che clinico.

Qual è la rete GAP?
Per perseguire il suo obiettivo, la sinergia di competenze è un aspetto di primaria rilevanza: GAP collabora con un network nazionale ed internazionale di eccellenza.
Il progetto nasce da una collaborazione con il Gruppo San Donato senza scambio economico (in autofinanziamento); successivamente si sono aggiunti gli altri partner.
Caratterizzazione meccanica e biologica ossea alla multi-scala → ELETTRA Sincrotrone (prof.ssa Tromba), EMPA (prof. Schwiedrzik), Università di Strasburgo (prof.ssa Carradò), Università di Eindhoven (prof.ssa Hofmann).
Modellazione numerica del danneggiamento osseo → Trinity College Dublin (prof. Taylor), Dioscuri Centre in Topological Data Analysis (prof. Dlotko), ETH Zurigo (prof. Müller), TU Delft (prof. Zadpoor, prof. Mirzaali)
Dalla ricerca alla clinica: intelligenza artificiale per l’individuazione di micro-danneggiamenti → NTNU (prof. Berto)
Partner clinici ed impatto sociale → Istituto Ortopedico Galeazzi (prof. Banfi) e Cittadinanzattiva (dott.ssa Nicoletti)
La ricerca GAP è entrata anche nell’Alta Scuola Politecnica: un gruppo di cinque studenti ha attivamente partecipato alla realizzazione di un algoritmo di deep learning che automatizza il riconoscimento delle lacune ossee, rendendo immediato il processing delle immagini al sincrotrone.

Quali sono gli obiettivi raggiunti da GAP?
Il progetto GAP ha raggiunto diversi incoraggianti risultati. Attualmente, grazie alla progettazione meccanica ed elettronica e conseguente realizzazione di un dispositivo a micro-compressione, è stato possibile mappare le caratteristiche meccaniche locali di teste femorali sane e patologiche. Questo ha consentito di determinare le zone ad elevata rigidezza, sede della trasmissione dei carichi dal bacino al femore. Inoltre, la metodologia implementata ha consentito di valutare la variabilità inter-paziente, identificando casi borderline di soggetti affetti da artrosi locale o osteopenia. La caratterizzazione meccanica, coniugata all’imaging al sincrotrone a risoluzione 1.6 µm a intervalli di spostamento applicato crescenti, ha permesso di stimare le interazioni tra micro-cricche e lacune, identificando fenomeni tenacizzanti come il “ligament bridging”. Il costo computazionale elevato derivante dalla mole di dati ad altissima risoluzione ha portato all’implementazione di reti neurali convoluzionali per la localizzazione ed identificazione automatica di micro-cricche e lacune. Si osserva come, nella totalità dei casi analizzati, le cricche non originino dalle lacune ossee e che quest’ultime presentino una densità maggiore ed una forma ellittica in presenza di osteoporosi.

Quale è il futuro di GAP?
Le tecniche avanzate di imaging al sincrotrone, insieme alla caratterizzazione meccanica locale, consentono di comprendere come si sviluppa il micro-danneggiamento all’interno delle ossa umane. Le immagini ottenute permettono l’implementazione di modelli computazionali validati, in grado di predire le regioni in cui vi è il rischio di frattura, ancor prima che essa si verifichi. Inoltre, l’identificazione di un indice di infragilimento alla micro-scala, correlato con le tecniche di imaging attualmente utilizzate in clinica, consentirebbe di ottenere uno strumento aggiuntivo e più specifico per individuare soggetti a rischio di sviluppo di patologie ossee. Infatti, l’individuazione precoce di una maggiore propensione alla fragilità ossea a livello della micro-scala, consentirebbe la somministrazione preventiva di farmaci per contrastare la perdita di densità minerale ossea. Inoltre, questo porterebbe a ritardare l’ospedalizzazione e l’allettamento di molti pazienti ed un prolungamento della loro vita attiva. GAP, dunque, volge il suo sguardo verso un approccio pratico e dal forte impatto sociale, interfacciandosi direttamente non solo con i clinici, ma anche con i pazienti, utenti finali delle sue ricerche.