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Additive Fertigung Wirbel für Wirbel: 3D-gedruckte Modelle helfen bei der OP

Ein Gastbeitrag von Stefan Holländer*

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Wenige Millimeter können bei komplexen Operationen über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. Gut, wenn der Chirurg im Vorfeld zusätzliche Hilfe bekommt – und zwar durch ein 3D-gedrucktes Modell. So geschehen bei einer komplexen Wirbelsäulen-Tumor-OP.

Ein Wirbelsäulenmodell mit Stützstrukturen frisch aus dem 3D-Drucker: Durch den Druck eines Modells der Patientenanatomie vor einer OP kann ein spezifischer Plan für den Eingriff erstellt werden.
Ein Wirbelsäulenmodell mit Stützstrukturen frisch aus dem 3D-Drucker: Durch den Druck eines Modells der Patientenanatomie vor einer OP kann ein spezifischer Plan für den Eingriff erstellt werden.
(Bild: Formlabs)

Bei jeder Operation geht es um Millimeterarbeit, die über Erfolg oder Misserfolg – und nicht selten auch über Leben oder Tod – entscheidet. Und jede Person benötigt als Patient eine individuelle medizinische Behandlung. Die unterschiedliche Pathologie eines jeden Menschen macht jede Operation zu einem individuellen Fall.

Der orthopädische Wirbelsäulenchirurg Dr. Andrew Kanawati des Westmead Hospitals in Sydney nutzt für diese Operationen einen innovativen Ansatz. Er ist interessiert an klinischen und Forschungsanwendungen des 3D-Druckers. Dr. Kanawati hat bereits mehrere patientenindividuelle 3D-gedruckte Wirbelsäulenschablonen zur Unterstützung bei Operationen entwickelt. Ein physisches 360°-Modell der Wirbelsäule des Patienten hilft dem Chirurgen, Fehler zu vermeiden und die Behandlungsergebnisse zu verbessern. Er verwendet Verbundmodelle aus verschiedenen Materialien in Kombination mit dem Stereolithografie(engl. Stereolithograph Apparatus, SLA)-3D-Druckverfahren zur Planung und Durchführung komplexer Operationen.

Operationsvisualisierung aus dem 3D-Drucker

Das der 3D-Drucker im medizinischen Bereich genutzt wird, ist keine Neuheit. In der Vergangenheit konzentrierte sich die Forschung in diesem Bereich jedoch primär auf das Herstellen von preisgünstigen Teilen aus dem Fused-Deposition-Modeling(FDM)-Drucker. Dr. Kanawati ist der Ansicht, dass das Verfahren jedoch weitere Chancen bietet. Denn die gesamte Behandlung kann durch den 3D-Drucker optimiert werden – von der voroperativen Planung bis zu der Operationsdurchführung selbst. Anatomische 3D-Modelle können den operierenden Ärzten helfen, den Patienten und ihren Familien die Verfahren zu erläutern und die Risiken visuell zu verdeutlichen.

Anhand der Durchführung einer vollständigen chirurgischen Simulation vor der Operation können während eines komplexen chirurgischen Eingriffs über 120 Minuten Zeit eingespart werden. Das Operationsteam weiß, auf Grund der Visualisierung, während des gesamten Eingriffs, was zu tun ist. Die voroperative Planung schafft die Möglichkeit, noch präziser zu arbeiten. Durch den Druck eines Modells der Patientenanatomie vor der OP wird ein spezifischer Plan für den Eingriff erstellt. Außerdem können exakte Bohr- und Schnittschablonen zugeschnitten werden, die optimal auf den Patienten angepasst sind. Somit trägt das Verfahren ebenfalls zu einem geringeren Blutverlust bei.

Vorbereitung bei komplexer Wirbelsäulen-Tumor-OP

Ein Patient von Dr. Kanawati klagte über Beinschmerzen. In der Jugend des Patienten wurde ein gutartiger Tumor an der Wirbelsäule diagnostiziert. Eine neue MRT- und CT-Untersuchung ergab jedoch, dass dieser Tumor inzwischen seitlich in die Wirbelsäule des Patienten eingewachsen war. Somit drückte der Tumor auf die Nerven und stellte eine ernsthafte medizinische Herausforderung dar.Genau wie jeder Mensch ist auch jeder Tumor anders. Bei komplexen Fällen, die das Rückenmark und die Nerven betreffen, kann die Möglichkeit, die menschliche Anatomie im 3D-Raum zu untersuchen, den Unterschied zwischen einer erfolgreichen oder einer misslungenen Operation ausmachen. Deshalb hat Dr. Kanawati mit Hilfe des 3D-Druckers ein vollständiges Modell der unteren Wirbelsäule und des Tumors gedruckt.

Für das Modell des Tumors wurden 156 ml Harz verbraucht. Mit diesem geringen Materialaufwand konnten schwerwiegende Fehler vermieden und die Behandlungsergebnisse verbessert werden. Das Anfertigen des Modells half dem Chirurgen, die Kontaktpunkte zwischen dem Tumor und den Nervenästen zu visualisieren. Somit konnte Dr. Andrew Kanawati bereits im Voraus planen, wie er operiert und bekam dadurch mehr Sicherheit und Geschicklichkeit beim Operieren.

Auch bei Notfällen, in denen die Zeit drängt, kann ein 3D-gedrucktes Modell jedem Chirurgen bei ihren Entscheidungen unterstützen und ihnen zusätzliche Sicherheit geben. Innerhalb eines Tages kann das zu druckende Element gescannt und gedruckt werden.

In dem konkreten Fall von Dr. Kanawatis Patient bedeutete diese Möglichkeit, eine verkürzte Operation und somit eine geringere Spannung des Rückenmarks, ohne dass es zu direkten Nervenschäden kommt. Diese Schäden konnte vorgebeugt werden, da das Team einen besseren Einblick in die Frage, welche Pedikel (eine kleine stielartige Struktur, die ein Organ oder ein anderes Teil mit dem menschlichen oder tierischen Körper verbindet) lebensfähig sind, erhalten hat. Zusätzlich konnte das Team schneller arbeiten, da die Chirurgen einen Hochgeschwindigkeitsbohrer nutzen durften. Üblicherweise ist dies nicht erlaubt, da diese Bohrer, wenn sie falsch geführt werden, die umliegenden Nervenelemente beschädigen können. Mit einer passgenauen 3D-gedruckten Bohrschablone konnte der Hochgeschwindigkeitsbohrer jedoch verwendet werden und die Operation erheblich verbessern und beschleunigen.

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Die Entwicklung geht voran und das 3D-Druck Verfahren wird weiter in die Medizin integriert. Dies ist sinnvoll, da das additive Fertigungsverfahren gegenüber der subtraktiven Fertigung einige Vorteile bietet. Beispielsweise wurden in der Mund-, Kiefer-, und Gesichtschirurgie Anatomiemodelle und Implantate zu Beginn auf Basis digitaler Scans aus Schaumstoffblöcken gefräst. Diese Modelle hatten eine ganze Reihe von Nachteilen, angefangen bei der Gestaltungsfreiheit über die Präzision bis hin zu Kosten und Zeitaufwand.

Das additive Fertigungsverfahren der Stereolithografie fertigt aufgrund der besseren Materialeigenschaften ideal angepasste Implantate und Schablonen für Patienten. Diese Eigenschaften, wie die Möglichkeit, wasserdichte, biokompatible und sterilisierbare Teile zu drucken, sind optimal für die medizinische Implantationstechnik. Hochwertige medizinische Produkte können gedruckt und getestet werden. Falls Modelle angepasst werden müssen, kann diese Nachbearbeitung mit dem 3D-Drucker schnell und ohne großen Kostenpunkt durchgeführt werden.

Einen 3D-Drucker für operative Vorplanung bis zur Operation selbst zu nutzen und Chirurgen zur Verfügung zu stellen, bringt also einige Vorteile mit sich. Die präoperative Vorbereitung ermöglicht bessere Präzision während der Operation. Zudem werden Kosten und Zeit gespart und das zu einem optimalen Ergebnis für den Patienten – eine Win-Win-Situation also.

Was ist Stereolithografie-3D-Druck?

Die Stereolithografie (engl. Stereolithograph Apparatus, SLA) ist heute eines der geläufigsten 3D-Druckverfahren mit flüssigem Kunstharz und verdankt seine Beliebtheit der Möglichkeit, hochgenaue, isotrope, wasserdichte Prototypen oder Endverbrauchsteile in verschiedenen fortschrittlichen Materialien mit feinen Details und einer glatten Oberfläche zu fertigen. Die Stereolithografie gehört zu einer Familie von additiven Fertigungstechnologien, die allgemein als 3D-Druck aus Kunstharz (auch Resin genannt) bekannt ist. Diese Maschinen sind alle nach dem gleichen Prinzip aufgebaut und verwenden eine Lichtquelle - einen Laser oder Projektor -, um flüssiges Harz in ausgehärteten Kunststoff zu transformieren. Die wichtigste physikalische Unterscheidung liegt in der Anordnung der Kernkomponenten wie der Lichtquelle, der Bauplattform und des Harztanks.

Bei Desktop-SLA-3D-Druckern kommt ein Harztank mit durchsichtigem Boden und nicht haftender Oberfläche zum Einsatz. Sie dient als Substrat, an dem das flüssige Kunstharz aushärtet. Auf diese Weise können neu gebildete Schichten behutsam abgelöst werden. SLA-Teile haben die höchste Auflösung und Genauigkeit, die schärfsten Details und die glattesten Oberflächengüten aller 3D-Drucktechnologien, aber der Hauptvorteil der Stereolithografie liegt in ihrer Vielseitigkeit.

Weitere Artikel über Auftragsfertigung und Fertigungseinrichtungen finden Sie in unserem Themenkanal Fertigung.

* Der Autor: Stefan Holländer ist Managing Director EMEA bei Formlabs.

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