Die digitale Fertigung hat einen großen Einfluss auf viele Bereiche der Medizin, von kleinen Dingen wie der Bearbeitung von Aluminium von Reagenzglashaltern bis hin zu futuristischen Verfahren wie dem 3D-Druck von Titanimplantaten.
Unter den vielen medizinischen Anwendungen der digitalen Fertigung macht ein Bereich besonders große Fortschritte: die Herstellung anatomischer Modelle – physische Nachbildungen von Organen, Knochen und anderen Körperteilen, die von Medizinern zur Ausbildung von Ärzten oder zur Vorbereitung auf Operationen an Patienten verwendet werden können.
Diese anatomischen Modelle können mit verschiedenen Fertigungstechnologien und aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, und ihre Verwendung nimmt weltweit zu.
Warum anatomische Modelle erstellen?
Dank digitaler Fertigungstechnologien wie 3D-Modellierungssoftware und 3D-Druckern ist es heute einfacher denn je, schnell und kostengünstig naturgetreue anatomische Modelle für Ausbildungs-, Schulungs- oder chirurgische Zwecke herzustellen.
Diese Modelle können generisch sein und dazu dienen, gesunde oder betroffene Körperteile in Vorlesungen oder Kursen zu veranschaulichen, oder sie können patientenspezifisch sein und mithilfe medizinischer Bilddaten erstellt werden, um ein Körperteil eines einzelnen Patienten physisch nachzubilden.
Patientenspezifische anatomische Modelle gehören zu den spannendsten Anwendungen von digitale Fertigungstechnologien, da sie es Chirurgen ermöglichen, eine naturgetreue Nachbildung des beschädigten oder erkrankten Organs, an dem sie operieren müssen, zu sehen und zu fühlen – manchmal lange vor dem eigentlichen Eingriff.
Durch den Umgang mit einem physischen Modell können sich Chirurgen deutlich besser auf die Operation vorbereiten und verschiedene Schnitttechniken oder Bewegungsabläufe an der Kunststoffnachbildung üben, bevor sie den eigentlichen Eingriff durchführen. Diese zusätzliche praktische Vorbereitung erhöht die Chancen auf einen positiven Behandlungserfolg für den Patienten.
Umwandlung medizinischer Bilder in 3D-Modelle
Ein wesentlicher Bestandteil der Erstellung patientenspezifischer medizinischer Modelle ist die Datenerhebung am Körper des Patienten. Hierfür werden CT- oder MRT-Scanner benötigt – Geräte, die in Krankenhäusern zur Untersuchung von Patienten und zur Erkennung verschiedener Probleme eingesetzt werden.
Diese Scanner verwenden Röntgenstrahlen oder starke Magnetfelder, um ein Bild vom Gehirn, der Lunge oder anderen Körperteilen eines Patienten zu erhalten.
Leider sind medizinische Bildgebungsgeräte nicht für die Aufnahme von 3D-Bildern ausgelegt. Stattdessen erzeugen sie eine Reihe von 2D-Schnittbildern, die – in ihrer Gesamtheit betrachtet – es Ärzten ermöglichen, den Körper eines Patienten zu analysieren.
Diese 2D-Schnittbilder lassen sich aber recht einfach in eine 3D-Form umwandeln: Sobald die Mediziner über ihre 2D-Bilder verfügen, die üblicherweise im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) gespeichert werden, kann eine Software verwendet werden, um die Daten in ein digitales 3D-Modell umzuwandeln.
Das so entstandene Modell auf dem Bildschirm kann dann verändert, in der Größe angepasst oder sogar eingefärbt werden und anschließend auf die entsprechende Weise weiterverarbeitet werden, bevor es an einen 3D-Drucker oder eine andere Maschine gesendet wird.
Digitale Fertigung anatomischer Modelle
Eine der besten neuen Methoden zur Erstellung anatomischer Modelle – sowohl patientenspezifischer als auch generischer Art – ist die additive Fertigung oder der 3D-Druck.
Mithilfe von 3D-Druckern, die auf dem Fused Deposition Modeling (FDM)- oder Stereolithographie-Verfahren (SLA) basieren, können Mediziner schnell Modelle anhand der aus CT- oder MRT-Scans umgewandelten digitalen Informationen herstellen. Da 3D-Drucker sowohl in Laboren als auch in Büros aufgestellt werden können, ist der gesamte Druckprozess in kürzester Zeit abgeschlossen.
Während FDM am häufigsten verwendet wird und kostengünstige 3D-DrucktechnologieViele im medizinischen Bereich bevorzugen SLA für anatomische Modelle. Die lichtbasierte Technologie ist mit transluzenten und halbtransparenten Harzen kompatibel, und der 3D-Druck mit solchen Materialien kann nützlich sein, um ein komplexes Organ mit inneren Abschnitten darzustellen (die wiederum mit unterschiedlichen Farben verziert werden können).
Für anatomische Modelle mit einem allgemeineren Verwendungszweck – beispielsweise solche, die für Ausbildungszwecke und nicht für chirurgische Zwecke hergestellt werden – können andere Technologien genauso nützlich sein wie die additive Fertigung.
Das Spritzgießen kann beispielsweise eine kostengünstige Methode sein, um mehrere Exemplare eines einzigen Modells herzustellen, die dann von mehreren Benutzern in Krankenhäusern oder Bildungseinrichtungen verwendet werden können.
Die praktischen Vorteile anatomischer Modelle
Die digitale Fertigung anatomischer Modelle ist mehr als nur ein vorübergehender Trend. Tatsächlich konnten dank der Nachbildungen von Körperteilen aus Kunststoff bereits unzählige Leben weltweit gerettet werden.
Anfang dieses Jahres nutzten Chirurgen des Guy's and St Thomas' Hospital in London den Multimaterial-3D-Druck, um sich auf eine komplexe Nierentransplantation bei einem zweijährigen Kind vorzubereiten.
„Die Möglichkeit, ein 3D-Modell der Patientenanatomie in verschiedenen Texturen zu drucken, in dem die Feinheiten der Blutgefäße deutlich sichtbar sind, ermöglicht es uns, wichtige anatomische Beziehungen zwischen Strukturen zu differenzieren“, sagte Pankaj Chandak, Transplantationsregistrator des Krankenhauses. „Die flexiblen Materialien erlaubten es uns außerdem, die Flexibilität der Organe im Bauchraum für die Simulation der Operationsumgebung besser nachzubilden.“
Vor diesem Verfahren verwendeten Ärzte im Volkskrankenhaus von Jilin in China ein 3D-gedrucktes Modell, um die Behandlung eines Babys mit einem Herzfehler namens Totale pulmonale Venenanomalie zu unterstützen.
„Mithilfe des Modells konnten wir genau bestimmen, wo und wie wir schneiden mussten und wie groß der Schnitt sein sollte“, erklärte Dr. Zhang Xueqin. „Und dank dieser detaillierten Planung benötigten wir nur die Hälfte der ursprünglich veranschlagten Zeit für die Operation.“
Da immer mehr Mediziner digitale Fertigungsverfahren zur Erstellung präziser anatomischer Modelle einsetzen, werden Ärzte besser informiert und sind besser gerüstet, um das Leben ihrer Patienten zu retten.
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