3D-gedrucktes Aorta-Modell: Ohio State University arbeitet an Software, die Ärzte auch dank 3D-Druck besser auf Herzklappenoperationen vorbereiten soll

Eine Herzklappenoperation ist für viele heute Ärzte Routine, birgt aber natürlich immer Gefahren die bei einer Komplikation schnell zu schweren Schäden am Patienten führen können. Mit einer neuen Software, die von Forschern der Universität von Ohio entwickelt wurde, soll Ärzten in Zukunft dabei geholfen werden, sich besser auf diese Operationen vorzubereiten. Eine wichtige Rolle spielt dabei auch der 3D-Druck.

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Wenn die Herzklappe im Körper eines Menschen nicht mehr korrekt arbeitet, dann ist oft ein Herzklappenersatz erforderlich. Eine Software, die von Forschern der Ohio State University entwickelt wurde, soll Ärzte zukünftig dabei unterstützen, dass der dafür schwierige Eingriff optimal verläuft. Das Trainingsprogramm, das derzeit noch ausgiebig getestet wird, soll Aorten mit einem 3D-Drucker herstellen.

Vor allem ältere Menschen mit einem Herzklappenfehler leiden unter Atemnot oder kurzer Bewusstlosigkeit.  Für einen Herzklappenersatz wird der Patient dabei am offenen, stillgelegten Herzen operiert. Die Transkatheter-Aortenklappen-Implantation ist eine Alternative zur üblichen Methode. Bei dieser Operation erfolgt die Einführung einer biologischen Herzklappe mittels Katheter in die Aorta des Herzens. Die neue Herzklappe übernimmt dann die Arbeit der alten, verkalkten Klappe.

Position, Größe und Art der Ersatzklappe spielen eine entscheidende Rolle bei einem Erfolg für die Therapie. Wenn die Klappe nicht passt, können unerwünschte Nebeneffekte die Folge sein, wie zum Beispiel Lecks, Blutgerinnsel oder Herzblocks. Das US-Unternehmen BIOLIFE4D plant unter anderem transplantierbare Herzen aus dem 3D-Drucker. Die Herzen sollen dem Organmangel entgegenwirken und es Menschen künftig erlauben, quasi auf Knopfdruck Herzen herzustellen. Ohne Frage eine Vorhaben mit fiktionalem Charakter, aber eben forschend und damit auch mit einer gewissen Ernsthaftigkeit zu bewerten.

3D-gedruckte Aorta wird in Simulator getestet
Die 3D-gedruckte Kopie einer Aorta wird in einem High-Tech-Herz-Simulator getestet (Bild © OSU’s Wexner Medical Center).

Für den Herzklappenersatz sind die Bedingungen je nach Patient unterschiedlich. Die Anatomie ist laut Lakshmi Dasi von der Ohio State University der Schlüssel, wenn negative Ergebnisse vorhergesagt werden sollen, heißt es in dem am Textende verlinktem Video. Je optimaler ein Arzt einschätzen kann, welche Folgen eine kleine oder größere Herzklappe an einer bestimmten Stelle haben wird, desto besser ist es. Bislang entscheiden sich Chirurgen per CT-Scan für eine Position, der exakt die Anatomie des Patienten vor der OP zeigt. Der CT-Scan zeigt allerdings nicht an, was für Auswirkungen die entsprechenden Optionen haben werden.

Zur Abwägung der verschiedenen Szenarien und ihren Effekt auf den Blutfluss ist die Lösung zahlreiche Faktoren mit Gleichungen erforderlich. Diese Arbeit soll künftig eine Software übernehmen, die derzeit ausgiebig getestet wird. Basierend auf dem CT-Scan wird eine 3D-Replika der Aorta und der Herzklappe mit allen anatomischen Eigenheiten des Patienten erstellt, wie etwa Verkalkung.

Von den Ärzten wird eine blutähnliche Flüssigkeit durch das Modell gepumpt. Per Laser wird dann exakt gemessen, wie der Blutfluss in den verschiedenen Szenarien ist und welche Arbeit die Ersatzherzklappen beispielsweise an unterschiedlichen Positionen leisten. Wissenschaftlern der ETH Zürich gelang es im letzten Jahr, ein Silikonherz mit einem 3D-Drucker herzustellen, welches fast genauso schlägt wie das Original. Das Kunstherz funktionierte jedoch nur 30 bis 40 Minuten bzw. rund 3000 Schläge und danach folgten Rissbildungen.

auch andere Einsätze für Software geplant
Die Software soll auch für andere medizinische Einsätze genutzt werden können (Bild © OSU’s Wexner Medical Center).

Das Ziel des Experiments ist ein besseres Verständnis für die biomechanischen Vorgänge zu entwickeln und das Computermodell zu validieren. In rund einem Jahr soll das Programm vollendet sein, doch im Vorfeld muss es seine Fähigkeiten in Studien beweisen und zugelassen werden. Die Software könnte neben Aortenklappen auch künftig für Mitralklappen einsetzbar sein.

Im Tageseinsatz könnte auf 3D-Modelle verzichtet werden, weil ein CT-Scan als Datengrundlage ausreichen würde, um feststellen zu können, wie die patientenspezifische Anatomie mit den verschiedenen Optionen interagieren würde. Dasi hofft, dass ein MRT oder Ultraschallbild als Datenbasis in Zukunft ausreichen könnte. Der 3D-Drucker könnte Dasi zufolge für die Fertigung individueller Herzklappen genutzt werden, wovon die Patienten profitieren würden.

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