Neuroradiologie:

Mit Hirnarterien aus dem 3D-Drucker personalisierte Eingriffe üben und Risiken wie Schlaganfall mindern

Der 3D-Druck lebensgroßer Nachbildungen von Hirnarterien ermöglicht das Üben personalisierter Eingriffe und mindert Risiken wie Schlaganfall für den Patienten. Wir stellen die Forschungen von Dr. André Kemmling des Universitätsklinikums in Lübeck einmal genauer vor und zeigen Bilder von seinem 3D-Druck-Labor, Modelle der 3D-Hirnaterien und ein Beispiel für eine erfolgreiche Operation zur Aneurysma-Behandlung mit den Forschungen und der 3D-Drucktechnik.

Hirnarterien aus dem 3D-Drucker
3D-Hirnarterien, hergestellt mit einem 3D-Drucker (Bild © Formlabs).

In den labyrinthartigen Fluren des Universitätsklinikums in Lübeck, eines der größten in Deutschland, verlieren Besucher schnell jedes Gefühl für Zeit und Ort. Die Zukunft der Medizintechnik liegt direkt nebenan, im 3D-Labor des Instituts für Neuroradiologie unter der Leitung von Prof. Peter Schramm. Hier nutzt der Neuroradiologe und Forscher André Kemmling hochpräzisen Stereolithografie (SLA) für den 3D-Druck von Hirnarterien, mit deren Hilfe er personalisierte Eingriffe durchführen und Risiken wie Schlaganfälle verringern kann.

Nach jahrelanger Erfahrung in der Notaufnahme weiß der Oberarzt und Facharzt fr Radiologie mit Schwerpunkt Neuroradiologie Dr. med. André Kemmling, dass Eingriffe an Hirnarterien nicht nur eine Frage der Zeit sondern auch der Präzision sind: Wenige Millimeter entscheiden über Leben und Tod. Auch die modernste Instrumente funktionieren nur dann, wenn sie präzise in den Hirnarterien der Patienten platziert werden.

Ausgehend von den individuellen Patientenscans schafft Dr. Kemmling mit seinen 3D-Modelle lebensgroße Nachbildungen der tatsächlichen Gefäßanatomie. Die Hirnarterien aus dem 3D-Drucker sind ein universell einsetzbares Werkzeug für Training und Forschung. Gleichzeitig stellen sie eine kostengünstige, anatomisch exakte Alternative zu Silikonmodellen und Tierversuchen dar. Dr. Kemmlings Vision: Ein personalisierter Behandlungsplan für jeden Patienten.

Personalisierte Behandlung für Aneurysma-Patienten

Ein Aneurysma ist eine dünnwandige Erweiterung der arteriellen Hirngefäße – eine ballonartige, blutgefüllte Aussackung – und betrifft bis zu 3 Prozent der Bevölkerung. Je größer und komplexer das Aneurysma, desto größer das Risiko, dass es plötzlich reißt und eine akute Hirnblutung verursacht, die in 30 % aller Fälle zum Tod und bei weiteren 30 % zu bleibenden Behinderungen führt.

Meist werden Aneurysmen zufällig bei Routineuntersuchungen entdeckt, aber nicht alle müssen behandelt werden. Dabei stellt sich oft die Frage: Sollte der Patient das geringere Risiko einer vorbeugenden Behandlung in Kauf nehmen – oder mit dem Wissen leben, dass das Aneurysma zu jeder Zeit reißen könnte und dann wahrscheinlich deutlich schwerwiegendere Folgen hätte?

Aneurysma-Operation
Im OP-Saal: Dr. Kemmling und sein Team behandeln ein Aneurysma nach Testläufen an einem
Modell aus dem 3D-Drucker (Bild © Formlabs).

Heute sind vorbeugende Eingriffe mit High-Tech-Geräten möglich, darunter mit sogenannten Flow-Diverter: Diese dicht gewebten, feinen Drähte hemmen den Blutzufuhr des Aneurysmas, sodass sich dieses allmählich zurückbildet. Der Flow-Diverter muss jedoch mit maximaler Präzision – auf den Mikrometer genau – in den winzigen Gehirnarterien platziert werden. Ein zweiter Versuch ist nicht möglich: Sobald sich der Flow-Diverter im Blutgefäß ausgedehnt hat, kann er ohne erhebliche Risiken nicht nachgebessert werden.

Mithilfe der innovativen Methode von Dr. Kemmling können Mediziner akkurate, lebensechte Modelle der Gehirnarterien eines Patienten nachbilden und an diesen üben, um sicherzustellen, dass der Eingriff im OP-Saal reibungslos verläuft. So lässt sich außerdem die Dauer des Eingriffs um bis zu 50 % reduzieren, von 50-30 Minuten ohne Training auf 25-15 Minuten nach dem Training mit einem 3D-Modell.

3D-Modelle für Eingriffe am Gehirn nutzen

3D-Druck-Labor in Lübeck
Dr. Kemmling in seinem 3D-Druck-Labor am Universitätsklinikums in Lübeck. Links eine SLA-3D-Drucker vom Hersteller Formlabs (Bild © Formlabs).

„Wie fängt ein Neurologe an? Man muss jahrelang zugucken und dann muss man aber irgendwann rein“, so Dr. Kemmling. Die schnelle, flexible Herstellung von 3D-Modellen ist seiner Ansicht nach eine dringend benötigte Lösung, um die Brücke zwischen Theorie und Praxis zu schlagen.

Dr. Kemmling zählte zu den ersten Käufern des Form 2 in Deutschland. Heute kann er acht Aneurysma-Patientenfälle innerhalb zwei Tagen drucken. Silikonmodelle haben eine Vorlaufzeit von mehreren Wochen und bieten aufgrund des Spritzgussverfahren nicht dieselben anatomischen Details wie die Modelle aus dem 3D-Drucker. Diese werden mit transparentem Kunstharz gedruckt und haben eine Schichtauflösung von 0,025 mm – feiner als das menschliche Haar. Mit der Standardisierung seiner Methode möchte Dr. Kemmling außerdem erreichen, dass Tierversuche ein Ende nehmen.

Indem er Patienten ein echtes Modell ihres Gehirns zeigt, kann Dr. Kemmling das Verfahren direkt demonstrieren. „Es ist beruhigend für Patienten, wenn man ihnen sagen kann, dass der Eingriff an ihrer spezifischen Anatomie möglich ist“, erklärt Dr. Kemmling.

„So sieht Ihr Aneurysma aus, hier machen wir den Zugang, so läuft der Eingriff ab. Da 3D-Modelle so günstig und einfach herzustellen sind, können Patienten sie sogar mit nach Hause nehmen.“

Dr. Andreas Kemmling
Dr. Kemmling und Patientin Christine M. beim Betrachten ihres 3D-gedruckten Aneurysma nach
erfolgreicher Behandlung (Bild © Formlabs).

„Ich bekam erst Panik, als ich sah, wie entsetzt meine Freunde waren“, so Frau M. Als Dr. Kemmling Frau M. das 3D-Modell ihres Scans zeigte, war sie überrascht, wie klein das Aneurysma war. Er erklärte ihr den Eingriff und führte ihn mit den tatsächlich genutzten Instrumenten am lebensgroßen Modell aus.

Christine M. konnte das 3D-Modell mit nach Hause nehmen, um es besorgten Freunden und Verwandten zu zeigen und ihnen zu erklären, wie es in ihrem Gehirn aussah und wie der Eingriff ablaufen würde.

„Das Maß an Präzision hat mich beeindruckt – nicht einmal Sticker könnten so detailliert arbeiten“, so Frau M. „Ich habe weitere Recherchen angestellt und dann beschlossen, dass ich für die Aneurysma-Behandlung den Weg durch die Arterie gehen würde.“

Die Alternative wäre eine klassische offene Operation mit erheblich längerer Genesungsdauer gewesen. Endovaskuläre Eingriffe sind dagegen weniger invasiv für Patienten, die oft schon nach wenigen Tagen aus dem Krankenhaus entlassen werden können. Für Christine M. dauerte der Eingriff gerade einmal 30 Minuten, da der Arzt durch die Vorbereitung mit dem 3D-Modell höchst präzise und effizient arbeiten konnte.

Die Zukunft des 3D-Drucks in der Medizin

Heute ist Christine M. gesund. Bei der letzten Untersuchung wurde bestätigt, dass der Flow-Diverter wie geplant funktioniert und das Aneurysma fast vollständig verschwunden ist.

Bislang hat Dr. Kemmling mehr als 100 Patienten am Lübecker Universitätsklinikum behandelt. Zu diesem Zeitpunkt lässt sich der Erfolg der Behandlung noch nicht mit den Alternativen zu vergleichen. Er kann jedoch bereits jetzt bestätigen, dass die 3D-gedruckter Modelle endovaskuläre Eingriffe an Aneurysmen schneller und sicherer machen.

Das Team des Instituts für Neuroradiologie gibt regelmäßig Workshop in seinem 3D-Labor und bei internationalen Kursen, um sein Wissen mit anderen Ärzten und Forschern zu teilen.

Dr. Kemmling hat bereits weitere Einsatzmöglichkeiten des 3D-Drucks in der Medizin angeregt: Eine andere Forschungsgruppe verwendet nun die in Dr. Kemmlings Labor gedruckten 3D-Modelle, um Blutgerinnungsmedikamente zu testen.

Dr. Kemmling ist sicher, dass sich 3D-Druck zukünftig für eine ganze Reihe von Verfahren in der Medizin nutzen lässt. Allgemein können 3D Modelle für experimentelle Messungen verwendet werden, um zu sehen, wie sich Medizintechnik in den Körper integrieren lässt, ohne den Blutfluss zu behindern. Damit sind diese Modelle für alle möglichen klinischen Anwendungen relevant.

3D-Arterienmodelle in Vitrine
Ein Display mit 3D-Arterienmodellen unterschiedlicher Größen aus Klarharz mit einer Auflösung
von 0,05 mm (Bild © Formlabs).

Personalisierten Eingriffen wandeln sich bereits jetzt von zukünftigen zu gegenwärtigen Methoden in der Medizintechnik: 3D-Modelle lassen sich deutlich günstiger und schneller herstellen und werden über kurz oder lang Silikonmodelle und Tierversuche ersetzen. Die Methode von Dr. Kemmling ist für alle Ärzte anwendbar, die über ein dezidiertes 3D Drucklabor verfügen – und den Wunsch, jeden Patienten individuell zu behandeln.

Für Fragen zu seinen Forschungen wenden Sie sich bitte direkt an Dr. Kemmling (Kontakt). Für weitere Informationen zu diesem Thema informieren wir Sie auch zukünftig auf 3D-grenzenlos und in unserem kostenlosen 3D-Druck-Newsletter (abonnieren).

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