Um Kinder mit angeborenen Herzfehlern erfolgreich behandeln zu können, haben Fachleute der Abteilung für Kinderkardiologie des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München 3D-gedruckte Modelle von Kinderherzen mit Herzfehlern mit der Mimics Innovation Suite von Materialise entwickelt. Diese sollten dabei helfen, ein besonders realistisches, beliebig wiederholbares Kathetertraining zu ermöglichen. Die neueste Generation kann sogar wie ein echtes Herz schlagen. Das Berner Inselspital ist ein weiteres Krankenhaus, das sich bereits mit kleinen 3D-gedruckten Modellen von Kinderherzen auf Eingriffe vorbereitet.
3D-gedruckte Herzen als Training
Herzfehler zu diagnostizieren und mit Kathetertechnik zu behandeln bedarf detaillierter Kenntnis der Anatomie und Fingerspitzengefühl, das es zu trainieren gilt. Katheter werden sehr feinfühlig durch engste Räume geführt, weshalb das Prozedere sitzen muss. Für Kinderherzen gibt es keine realistischen Simulationen fürs Training. Vereinzelt gibt es Behelfsobjekte wie Tierherzen oder selbstgebaute Szenarien aus Behelfsmaterialien, aber diese sind kaum zufriedenstellend und sehr unpräzise. Die Modelle der Kinderherzen aus dem 3D-Drucker sollten die Trainingsmöglichkeiten verbessern.
Modelle können digital angepasst, unterschiedliche Herzfehler darstellen. Ärzte können neue Instrumente und Verfahren risikolos an wiederverwendbaren Modellen üben. Die allerersten 3D-gedruckten Modelle erhielten Silikonschläuche und -platten, sodass eine dreidimensionale vereinfachte Darstellung des Herzens mit seinen Hauptstrukturen entstand. Carina Hopfner, verantwortliche Ingenieurin für 3D-Druck am LMU Klinikum, erklärte, dass sie von dieser Baugruppe einen 2D-Bildstapel mit Computertomographie erzeugten und daraus ein 3D-druckbares Modell mithilfe der Mimics Innovation Suite von Materialise rekonstruierten. Die Nachbildung ließ sich virtuell vervollständigen. Ein vereinfachtes 3D-Druck-Modell wurde anschließend aus gewebeähnlichem Material angefertigt.
Laufende Verbesserungen bis hin zum künstlich pulsierendem Herz
Die nächste Generation verfügte bereits über anonymisierte CT- oder MRT-Scans als Grundlage. Kontrastverstärktes Blut wurde in den 2D-Bildern markiert und in ein 3D-Volumen übersetzt, um die innere Oberfläche des Herzens zu beschreiben. Mit einem Mantel von gleichmäßiger Dicke um das Blutvolumen herum entstand ein wirklichkeitsnahes Herzmodell mit den typischen Hohlräumen und Gefäßstrukturen. Das Modell wurde danach mit verschiedenen Fehlern wie Löchern in der Herzscheidewand, Verengungen und anderen Problemen versehen. Es folgten immer realistischere Modelle, die mitsamt der großen Gefäße in einem flexiblen Material 3D-gedruckt wurden.
Das künstliche Herz zum Schlagen zu bringen, gelang durch die Integration einer Herzklappe mit dem Designmodul in die statischen Modelle. Mitarbeiter versahen diese mit einem geschlossenen, kreisförmigen, mit Wasser gefüllten System aus Silikonschläuchen. Eine pulsatile Antriebseinheit wurde angeschlossen und sorgte für die Simulation des Herzschlags.
Carina Hopfner:
„Die Mimics Innovation Suite von Materialise war bei der Umsetzung des Projekts von ungeheurem Nutzen. Das Softwarepaket ist ohnehin schon die Standardlösung bei der Umwandlung medizinischer Bilddaten in 3D-druckbare Modelle, gerade auch bei der Erstellung patientenspezifischer Herzmodelle. Insbesondere die darin enthaltene 3-matic-Software hilft mit ihren zahlreichen automatisierten und teilautomatisierten Funktionen, vorhandene dreidimensionale Modelle auch auf der Netzdarstellungsebene effizient zu verändern.“
Auf der Swiss Medtech Expo 2021 in Luzern stellt Materialise die Arbeit der LMU mit der Mimics Innovation Suite vor. Mehr Informationen dazu gibt es auf der Website der Swiss Medtech Expo.
