Digitale Fertigung revolutioniert anatomische Modelle in der modernen Medizin

Digitale Fertigung hat großen Einfluss auf viele Bereiche der Medizin – von Kleinigkeiten wie der CNC-Bearbeitung von Aluminium-Teströhrchenhaltern bis zu futuristischen Praktiken wie dem 3D-Druck von Titan-Implantaten.

Unter den vielen medizinischen Anwendungen digitaler Fertigung wächst ein Bereich besonders rasant: die Erstellung anatomischer Modelle – physische Repliken von Organen, Knochen und anderen Körperteilen, die Mediziner zur Ausbildung von Ärzten oder zur OP-Vorbereitung an Patienten nutzen.

Diese Modelle lassen sich mit verschiedenen Fertigungstechnologien und Materialien herstellen – ihre Nutzung nimmt weltweit zu.

Warum anatomische Modelle erstellen?

Dank digitaler Fertigungstechnologien wie 3D-Modellierungssoftware und 3D-Druckern ist es heute einfacher denn je, lebensechte anatomische Modelle schnell und kostengünstig für Bildung, Training oder chirurgische Zwecke zu erstellen.

Modelle können generisch sein – zur Illustration gesunder oder betroffener Körperteile in Vorlesungen/Kursen – oder patientenspezifisch, basierend auf medizinischen Bilddaten zur physischen Replikation eines individuellen Körperteils.

Patientenspezifische anatomische Modelle sind eine der spannendsten Anwendungen digitaler Fertigung: Chirurgen können ein lebensechtes Abbild des geschädigten/kranken Organs, an dem sie operieren müssen, sehen und fühlen – manchmal weit vor dem eigentlichen Eingriff.

Durch haptische Auseinandersetzung mit einem physischen Skalmodell sind Chirurgen weit besser auf die OP vorbereitet: Verschiedene Inzisionen oder Bewegungen am Kunststoffreplikat testen, bevor die echte Operation erfolgt. Diese zusätzliche praxisnahe Vorbereitung erhöht die Chancen auf ein positives Patientenergebnis.

Medizinische Bilder in 3D-Modelle umwandeln

Ein zentraler Schritt bei patientenspezifischen Modellen: Datenerhebung am Patienten. Erfordert CT- oder MRT-Scanner – Klinikgeräte zur Patientenuntersuchung und Diagnostik.

Diese Scanner nutzen Röntgen oder starke Magnetfelder für Bilder von Gehirn, Lunge oder anderen Körperteilen.

Leider erfassen medizinische Bildgebungsgeräte keine 3D-Bilder direkt. Sie liefern Serien 2D-Scheiben, die – als Ganzheit betrachtet – Ärzten die Analyse des Patienten ermöglichen.

Doch diese 2D-Scheiben lassen sich leicht in 3D-Form überführen: Sobald Mediziner ihren 2D-Bildsatz haben (üblich im DICOM-Format), wandelt Software die Daten in ein digitales 3D-Modell um.

Dieses On-Screen-Modell kann modifiziert, skaliert, koloriert und dann prozessgerecht an einen 3D-Drucker oder andere Maschine übergeben werden.

Digitale Fertigung anatomischer Modelle

Einer der besten neuen Wege für anatomische Modelle – sowohl patientenspezifisch als auch generisch – ist additive Fertigung (3D-Druck).

Mit FDM- (Fused Deposition Modeling) oder SLA-3D-Druckern (Stereolithografie) können Mediziner Modelle aus den konvertierten CT/MRT-Daten schnell fertigen. Da 3D-Drucker in Laboren oder Büros stehen, dauert der gesamte Bauprozess sehr kurz.

Während FDM die gängigste & günstigste 3D-Drucktechnologie ist, bevorzugen viele Mediziner SLA für anatomische Modelle. Lichtbasierte Technologie verträgt transluzente & halbtransparente Harze – 3D-Druck damit ermöglicht komplexe Organe mit internen Strukturen (die mit eindeutigen Farben hervorgehoben werden können).

Für anatomische Modelle mit allgemeinem Zweck – z. B. für Ausbildung statt OP – können andere Technologien ebenso nützlich sein wie additive Fertigung.

Spritzguss z. B. kann kosteneffizient multiple Kopien eines Modells fertigen, die von vielen Nutzern in Kliniken oder Bildungseinrichtungen verwendet werden.

Reale Vorteile anatomischer Modelle

Digitale Fertigung anatomischer Modelle ist mehr als ein Trend. Weltweit wurden bereits unzählige Leben durch replizierte Kunststoff-Körperteile gerettet.

Anfang dieses Jahres nutzten Chirurgen am Guy's and St Thomas' Hospital in London Multi-Material-3D-Druck zur Vorbereitung einer komplexen Nierentransplantation bei einem zweijährigen Kind.

„Die Fähigkeit, ein 3D-Modell der Patienten-Anatomie in variierenden Texturen zu drucken, mit klar sichtbaren Blutgefäß-Inrikaten, ermöglicht uns, kritische anatomische Beziehungen zwischen Strukturen zu differenzieren“, so Pankaj Chandak, Transplant Registrar. „Flexible Materialien ließen uns die Organflexibilität im Abdomen für die Simulation der chirurgischen Umgebung besser nachahmen.“

Zuvor nutzten Ärzte am People's Hospital of Jilin (China) ein 3D-gedrucktes Modell zur Behandlung eines Säuglings mit Herzfehler (Total Pulmonary Venous Anomalous Drainage).

„Mit dem Modell wussten wir präzise, wo und wie wir schneiden müssen, und wie groß der Schnitt sein muss“, erklärte Dr. Zhang Xueqin. „Durch diesen gründlichen Plan benötigten wir nur halb so lange wie erwartet für die OP.“

Mit zunehmender Adoption digitaler Fertigung für präzise anatomische Modelle werden Ärzte besser informiert und ausgerüstet, um Patientenleben zu retten.

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