Moderne Medizin:

Kostengünstige, hochpräzise Methode zum 3D-Druck von patientenspezifischen Lebermodellen von chinesischen Forschern entwickelt

 29. Dezember 2017  Remziye Korner  

Ein chinesisches Team widmet sich der Frage: Wie kann die komplexe Anatomie der Organe zu geringeren Kosten als bisher produziert werden. Sie schafften es, mithilfe der 3D-Drucker und dem Stereolithografie-3D-Druckverahren, die Kosten für die Herstellung solcher Organmodelle zu senken und die Dauer der Produktion deutlich zu reduzieren.

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Patientenspezifische Modelle verschiedener Organe haben sich in der Chirurgie als äußerst hilfreich erwiesen. Selbst langjährig praktizierende Chirurgen profitieren davon, wenn sie die zu behandelnde Leber 1:1 vorab vor sich sehen. Sie können so die komplizierten, inneren Strukturen berühren, untersuchen und das Ausmaß und die genaue Position des Problems ermitteln und verstehen. Auch der Patient profitiert davon, da der Arzt ihm so seinen Zustand und die Behandlung besser verständlich machen kann.

Unterschiedliche Herangehensweisen

Einige Forscher haben bereits an der Erstellung solcher 3D-gedruckten Modelle gearbeitet. Bei Forschern in Minnesota lagen die lebensechten Texturen im Vordergrund. Beim Team von Forschern aus China, unter der Leitung von Professor Cheng Shujie, vom Krankenhaus der Universität Hebei, ist der wesentliche Gedanke der, die komplexe Anatomie der Organe zu geringeren Kosten als bisher zu reproduzieren.

Die Modelle sind sehr nützlich für Arzt und Patient.
Die Modelle sind Nutzen sowohl dem Arzt, als auch dem Patienten (Bild © Affiliated Hospital of Hebei University).

Das im chinesischen Hebei ansässige Team baute unter der Leitung von Professor Shujie Cheng seine Forschung auf die Arbeit des chinesischen Zhujiang-Krankenhauses auf, sowie der japanischen Tsukuba Universität und der Jagiellonen-Universität in Polen. Dr. Ke Zhang, Mitglied des Komitees der Chinese Medical Doctor Association und Chirurg, wies darauf hin, dass sich das gesamte Team rund 10 Monate lang der Arbeit an diesem Projekt widmete. Zhang bezeichnete die Entwicklung als innovative Optimierung und eine Kontrolle der Genauigkeit in beinahe jedem Schritt, heißt es in einem Artikel auf 3dprint.com.

„Die Errungenschaften der drei oben erwähnten Teams sind für die Forschung des angegliederten Krankenhauses der Universität Hebei sehr aufschlussreich. Unterdessen hofft das Cheng Shujie-Team, dass die Methode eine zuverlässige Alternative für die Leberchirurgen während des langen Prozesses der Popularisierung der Multi-Düsentechnologie sowie des Preisverfalls bieten und weitere Subjektanwendungen anregen kann“, erklärte Zhang.

Vorteil für Arzt und Patient

3D-gedruckte Modelle, die die gesamte Leber zeigen, einschließlich dem inneren Gewebe und der Strukturen, haben nachweisbar Vorteile für Ärzte. Die Forschung des Teams aus dem Hebei Krankenhaus zeigte, dass sich die chirurgische Sicherheit verbessert, die intraoperative Hämorrhagie reduziert wird und dass weniger postoperative Komplikationen entstehen. Professor Chengs Team versuchte auch auf andere Forschungsansätze zu setzen, die sich auf kostengünstigere Erstellungsmethoden konzentrieren, da industrieller 3D-Drucker mit Multi-Color- und Multi-Material-Fähigkeiten selbst ziemlich kostspielig sind.

Die Modelle kosten 80 bis 90 Dollar
Die gedruckten Modelle kosten zwischen 80 und 90 Dollar (Bild © Affiliated Hospital of Hebei University).

Und bei Kosten von 4500 US Dollar für ein genaues Lebermodell im Maßstab 1: 1, mit unpräziser Darstellung der komplizierten Strukturen ist eine komplexe Planung der Leberchirurgie kaum rentabel. Um die Kosten zu senken und eine hohe Auflösung in ihren medizinischen Modellen zu erreichen, wandte sich das Team der Stereolithographie zu.

Zhang erklärte,“erstmals verbrachten wir weniger als vier Stunden damit, die gesamte innere Struktur und die Oberfläche der Leber mit einer Schichtdicke von 0,1 mm mit superschnellem lichtempfindlichen Harz unter Verwendung von zwei Hochgeschwindigkeits-LCD-SLA-3D-Druckern, die mit einem Flüssigkeitskühlsystem ausgestattet sind, zu drucken. Nach einem präzisen Match durch Anwendung der verbesserten traditionellen Transfer-Spritzgusstechnologie, vervollständigten wir den Herstellungsprozess von patientenspezifischen medizinischen Modellen mit transparentem Harz. Als die innere Struktur der Leber gedruckt wurde, waren bösartige Tumore im Modell deutlich zu erkennen. Verglichen mit der gemessenen Entfernung vom 3D-Computermodell, die Fehler der gemessenen Unterschiede zwischen dem gedruckten Modell und seiner benachbarten Blutgefäße betragen alle weniger als 0,7mm. Mit der Prämisse, die Druckzeit drastisch zu verkürzen und die Druckgenauigkeit zu verbessern, wurden die Kosten für die Modellherstellung weiter gesenkt, was die Effizienz und Genauigkeit der Operation erheblich gesteigert hat.“

Die entwickelte Methode ermöglicht die Herstellung eines lebensgroßen, detaillierten Lebermodells für ungefähr 80 bis 90 US Dollar. Genauigkeit und Auflösung ergeben sich aus der Verwendung der SLA-3D-Drucktechnologie, die geringere Kapital- und Materialkosten als industrielle Multimaterialtechnologien hat, während nur ein einziger Montageschritt erforderlich ist, der eine geringe Fehlerquote aufweist.

Eine effiziente Methode trotz kleiner Mängel

Die Methode ist nicht perfekt. Einer der Mängel liegt in der Nachbearbeitung, da jedes Modell nach Abschluss des Druckauftrags und des Harzes derzeit etwa 30 Stunden Arbeit benötigt. Ein weiterer Nachteil liegt in komplexeren Modellen, da ein extrem kompliziertes Äußeres, die Zeitkosten der Methode zutiefst erhöht. So verlieren sich die Produktionsvorteile zur Unterstützung der Mehrdüsen-Drucktechnlogie. Dennoch werden 80% der komplexen Bedürfnisse der Leberchirurgie durch diese Produktionsmethode erfüllt.

„Die größte Bedeutung der Methode liegt vermutlich in der deutlichen Kostensenkung bei maximaler Genauigkeit und der Erhöhung der Druckgeschwindigkeit, was die breite Anwendung des 3D-Drucks in der Leberchirurgie ermöglicht“, erklärt Zhang.

Unterschiede zum Original minimal
Die Unterschiede zum Original sind gering (Bild © Affiliated Hospital of Hebei University).

Fertige mit dieser Methode erstellte Modelle umfassen eine präzise Reproduktion der Leber selbst, einschließlich der präzisen Oberfläche und des durchsichtigen Leberparenchyms, des genauen Tumors des Patienten und des vollständigen Drei-Systemlevels 5-6 Gefäßnetzes, wo sich das Hauptgefäß auf Level 1 befindet. Gefäßenddurchmesser haben die Grenze der CT-Schnittauflösung erreicht und bieten eine Genauigkeit im Submillimeterbereich.

„Nach wiederholten und gründlichen Überprüfungen ist Professor Cheng Shujie der Ansicht, dass die derzeit vom angegliederten Krankenhaus der Universität Hebei entwickelte Herstellungsmethode für ein transparentes, vollfarbiges und hochpräzises präoperatives Leberplanungsmodell geeignet ist, eine Reihe extrem schwieriger genaue und personalisierte Leberoperationen „, schreibt Zhang. „Und es könnte für die Herstellung komplizierterer Modelle verwendet werden, nachdem es durch die derzeitigen Methoden verbessert wurde, die die meisten komplizierten und schwierigen Operationen, die Chirurgen für unmöglich halten, in Möglichkeiten umwandeln können.“

Diese Methode kann auch in anderen Bereichen der Medizin eingesetzt werden. Orthopädie, Neurochirurgie, Geburtshilfe und Gynäkologie, kosmetische Chirurgie und Stomatologie gehören unter anderem zu den angedachten Bereichen. Die 3D-gedruckten Modelle ermöglichen es den Anbietern von medizinischer Versorgung, die Anatomien direkt und
persönlich zu verstehen und sich auf Prozeduren vorzubereiten.
Wenn es Neuigkeiten zu diesem Thema gibt, werden wir darüber berichten. Abonnieren Sie unseren Newsletter und bleiben Sie auf dem Laufenden. Organovo und Viscient Biosciences widmen sich ebenfalls der Behandlung von Lebererkrankungen mithilfe des 3D-Druckers. Das israelische Unternehmen CollPlant erhielt 2017 ein Patent für seine Biotinte zum 3D-Druck von Gewebe und Organen.

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