Wie Mediziner die digitale Fertigung nutzen, um anatomische Modelle der nächsten Generation zu erstellen

Die digitale Fertigung hat einen großen Einfluss auf viele Bereiche der Medizin, von kleinen Dingen wie der maschinellen Bearbeitung von Reagenzglashaltern aus Aluminium bis hin zu futuristischen Praktiken wie dem 3D-Druck von Titanimplantaten.

Unter den vielen medizinischen Anwendungen der digitalen Fertigung ist ein besonderer Bereich, der sprunghaft an Bedeutung gewinnt, die Erstellung anatomischer Modelle – physische Nachbildungen von Organen, Knochen und anderen Körperteilen, die von medizinischem Fachpersonal zur Schulung von Ärzten oder zur Vorbereitung von Operationen an Patienten verwendet werden können .

Diese anatomischen Modelle können mit unterschiedlichen Fertigungstechnologien und aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden und werden weltweit immer häufiger verwendet.

Warum anatomische Modelle erstellen?

Mit digitalen Fertigungstechnologien wie 3D-Modellierungssoftware und 3D-Druckern ist es jetzt einfacher denn je, schnell und kostengünstig lebensechte anatomische Modelle für Bildung, Ausbildung oder chirurgische Zwecke zu erstellen.

Diese Modelle können generisch sein und zur Veranschaulichung gesunder oder betroffener Körperteile in Vorlesungen oder Kursen verwendet werden, oder sie können patientenspezifisch sein und unter Verwendung medizinischer Bildgebungsdaten erstellt werden, um einen Körperteil eines einzelnen Patienten physisch nachzubilden.

Patientenspezifische anatomische Modelle sind eine der spannendsten Anwendungen digitaler Fertigungstechnologien, da sie es Chirurgen ermöglichen, eine lebensechte Kopie des beschädigten oder erkrankten Organs, an dem sie operiert werden müssen, zu sehen und zu fühlen – manchmal lange vor dem eigentlichen Eingriff .

Durch die Auseinandersetzung mit einem maßstabsgetreuen Modell können sich Chirurgen viel besser auf die Operation vorbereiten und verschiedene Schnitte oder Bewegungen an der Plastiknachbildung ausprobieren, bevor sie die eigentliche Operation durchführen müssen. Diese zusätzliche praktische Vorbereitung trägt dazu bei, die Chancen auf ein positives Ergebnis für den Patienten zu erhöhen.

Medizinische Bilder in 3D-Modelle umwandeln

Ein großer Teil des Prozesses zur Erstellung patientenspezifischer medizinischer Modelle besteht darin, Daten aus dem Körper des Patienten zu gewinnen. Dies erfordert den Einsatz von CT- oder MRI-Scannern, Geräten, die in Krankenhäusern zur Untersuchung von Patienten und zur Überprüfung auf verschiedene Probleme verwendet werden.

Diese Scanner verwenden Röntgenstrahlen oder starke Magnetfelder, um ein Bild des Gehirns, der Lunge oder anderer Körperteile eines Patienten zu erhalten.

Leider sind medizinische Bildgebungsgeräte nicht dafür ausgelegt, 3D-Bilder aufzunehmen. Stattdessen produzieren sie eine Reihe von 2D-Schnitten, die es Ärzten – als Ganzes genommen – ermöglichen, den Körper eines Patienten zu analysieren.

Diese 2D-Schnitte können jedoch ganz einfach in eine 3D-Form umgewandelt werden:Sobald Mediziner über einen Satz von 2D-Bildern verfügen, die üblicherweise im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) gespeichert sind, kann eine Software verwendet werden, um die Daten in ein digitales 3D-Modell.

Dieses Bildschirmmodell kann dann verändert, in der Größe geändert oder sogar eingefärbt werden und kann dann auf die entsprechende Weise verarbeitet werden, bevor es an einen 3D-Drucker oder eine andere Maschine gesendet wird.

Digitale Fertigung anatomischer Modelle

Eine der besten neuen Möglichkeiten zur Erstellung anatomischer Modelle – sowohl patientenspezifischer als auch generischer Art – ist die additive Fertigung oder der 3D-Druck.

Mithilfe von 3D-Druckern für Fused Deposition Modeling (FDM) oder Stereolithographie (SLA) können Mediziner anhand der konvertierten digitalen Informationen aus CT- oder MRT-Scans schnell Modelle herstellen. Und da 3D-Drucker in Labors oder sogar Büros aufbewahrt werden können, dauert es nur sehr kurze Zeit, den gesamten Bauprozess durchzuführen.

Während FDM die gebräuchlichste und kostengünstigste 3D-Drucktechnologie ist, bevorzugen viele im medizinischen Bereich SLA für anatomische Modelle. Die lichtbasierte Technologie ist mit durchscheinenden und halbdurchscheinenden Harzen kompatibel, und der 3D-Druck mit solchen Materialien kann nützlich sein, um ein komplexes Organ mit inneren Abschnitten zu präsentieren (die wiederum mit unverwechselbaren Farben verschönert werden können).

Für anatomische Modelle mit allgemeinerem Verwendungszweck – solche, die beispielsweise eher für Bildungszwecke als für chirurgische Zwecke hergestellt werden – können andere Technologien ebenso nützlich sein wie die additive Fertigung.

Spritzguss kann beispielsweise eine kostengünstige Möglichkeit sein, mehrere Kopien eines einzigen Modells herzustellen, die dann von mehreren Benutzern in Krankenhäusern oder Bildungseinrichtungen verwendet werden können.

Die realen Vorteile anatomischer Modelle

Die digitale Fertigung anatomischer Modelle ist mehr als ein vorübergehender Trend. Tatsächlich wurden dank nachgebauter Kunststoff-Karosserieteile bereits unzählige Leben auf der ganzen Welt gerettet.

Anfang dieses Jahres verwendeten Chirurgen des Krankenhauses Guy’s and St. Thomas’ in London 3D-Druck mit mehreren Materialien, um sich auf eine komplexe Nierentransplantation bei einem zweijährigen Kind vorzubereiten.

„Die Möglichkeit, ein 3D-Modell der Anatomie des Patienten in unterschiedlichen Texturen zu drucken, wobei die Feinheiten der Blutgefäße darin deutlich sichtbar sind, ermöglicht es uns, kritische anatomische Beziehungen zwischen Strukturen zu unterscheiden“, sagte Pankaj Chandak, Transplantationsarzt im Krankenhaus. „Die flexiblen Materialien ermöglichten es uns auch, die Flexibilität von Organen im Abdomen für die Simulation der chirurgischen Umgebung besser nachzuahmen.“

Vor diesem Eingriff verwendeten Ärzte des Volkskrankenhauses von Jilin in China ein 3D-gedrucktes Modell, um die Behandlung eines Babys zu unterstützen, das an einem Herzfehler namens Total Pulmonary Venous Anomal Drainage litt.

„Mit dem Modell konnten wir genau wissen, wo und wie wir schneiden sollten und wie groß der Einschnitt sein sollte“, erklärte Doktor Zhang Xueqin. „Und mit einem so gründlichen Plan haben wir nur die Hälfte der Zeit aufgewendet, die wir erwartet hatten, um die Operation abzuschließen.“

Da immer mehr Mediziner die digitale Fertigung einführen, um genaue anatomische Modelle zu erstellen, werden Ärzte besser informiert und besser gerüstet, um das Leben ihrer Patienten zu retten.

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