Medical

In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Bild- und der grafischen Verarbeitung die medizinische Bildgebung weit über die herkömmliche zweidimensionale Visualisierung hinaus verändert. Mit einer speziell für medizinische Anwendungen zugelassenen Software kann ein Stapel von zweidimensionalen Bildern in ein virtuelles 3D-Modell umgewandelt und entsprechend den Anforderungen an die Geometrie angepasst werden. Das Ergebnis sind spezifisch angepasste 3D-Modelle, die als Blaupause für die Herstellung medizinischer Konstrukte mittels Additiver Produktion verwendet werden können. Additive Verfahren bieten Ihnen innovative Lösungen für Ihre medizinischen Anwendungen. Durch die Auflösung von Designrestriktionen lassen sich geometrisch komplexe Bauteile patientenindividuell produzieren. Neben Implantaten werden zunehmend auch medizinische Werkzeuge und Anschauungsmodelle hergestellt. Diese eignen sich für präoperative Planungen sowie intraoperative Visualisierungen und erleichtern zusätzlich die Kommunikation mit dem Patienten. Dadurch kann die Operation im Vorfeld detailliert geplant und hierdurch die eigentliche Operationszeit signifikant verkürzt werden. Additiv gefertigte, patientenindividuelle Werkzeuge ermöglichen ein präzises Vorgehen bei operativen Eingriffen wie z. B. Knochentransplantationen und Rekonstruktionen. Patientenspezifische Ersatzteile und Implantate aus den verschiedenen Werkstoffen sind schnell additiv realisierbar.

© Fraunhofer IAPT

Der aktuelle medizinische AM-Prozess umfasst drei verschiedene Schritte (Abbildung 1). Der erste Schritt ist die 3D-Bildaufnahme mit CT- oder MRT-Technologie. In der klinischen Praxis werden CT-Bilder derzeit jedoch aufgrund ihres überlegenen Hartgewebekontrasts, ihrer räumlichen Auflösung und geringeren Kosten am häufigsten verwendet. Die resultierenden Bildgebungsdaten werden anschließend in zweidimensionalen (2D) Graustufenbildern rekonstruiert, die in Dateiformaten von Digital Images und Communications in Medicine (DICOM) gespeichert werden. Der zweite Schritt ist die Bildverarbeitung, bei der das interessierende Gewebe (z.B. "Knochen") segmentiert und mittels Triangulation in ein virtuelles 3D-Oberflächenmodell umgewandelt wird. Das resultierende 3D-Oberflächenmodell wird als STL-Modell (Standard Tessellation Language) gespeichert, das dann zur Konstruktion patientenspezifischer Konstrukte mit dedizierter CAD-Software (Computer-Aided Design) verwendet werden kann. Der dritte und letzte Schritt im medizinischen AM-Prozess ist die Umwandlung des bezeichneten STL-Modells in einen G-Code. Durch den G-Code Datensatz wird der additive Fertigungsprozess gesteuert. Der Aufbau des AM-Modells erfolgt dabei schichtweise aus den medizinzertifizierten Werkstoffen. So lassen sich Anschauungsmodelle für präoperative Planungen, intraoperative Visualisierungen, komplexe Bohr- und Sägeschablonen bis hin zur individual Prothetik aus Multimaterialien fertigen.  

Zusammen mit dem Universitätsklinikum Hamburg Eppendorf (UKE) und führenden Unternehmen aus der Industrie wird diese ganzheitliche Lösung erstmals als Referenzprojekt initialisiert. Ziel ist es, die gesamte Prozesskette in eine bestehende Infrastruktur (UKE) zu implementieren und zielorientiert anzuwenden. Neben der additiven Fertigung von Medizinkomponenten, welche durch das Fraunhofer IAPT erfolgt, sollen auch die weiteren Bereiche, CT / MR Bildgebung und die anschließende Bildverarbeitung (Schritt 1 und 2), die die Basis für den Fertigungsdatensatz bilden, erweitert und optimiert werden. Das Gesamtkonzept ist entsprechend der Medizinprodukteverordnung die im Mai 2020 in Kraft tritt ausgerichtet. Folgend sind einige Beispiele von medizinischen Bauteilen dargestellt.

Anschauungsmodelle

© Fraunhofer IAPT

Für medizinische Anwendungen reichte bislang eine zweidimensionale Darstellung des »Bereichs von Interesse« aus. Angrenzende Strukturen lassen sich jedoch nur bedingt oder gar nicht auflösen und schränken den Sichtbereich ein. Zwar gibt es schon 3D-Bildgebungsverfahren, die eine räumliche Visualisierung ermöglichen, doch basieren diese i. d. R. auf zweidimensionalen Bildern, die entlang der dritten Dimension aufgenommen wurden und somit eine räumliche Darstellung zulassen. Für eine einfache, physische Visualisierung ist es jedoch möglich, ausgehend von den zweidimensionalen Bildern ein dreidimensionales, additiv produziertes Modell zu entwickeln. Diese physischen Anschauungsmodelle ermöglichen eine schnelle Demonstration des »Bereichs von Interesse«. Dadurch wird die Kommunikation mit den Patienten deutlich vereinfacht und eine intraoperative Visualisierung ermöglicht. Darüber hinaus werden additive Modelle für die präoperative Planung und Simulation komplexer Operationen eingesetzt.

Bohr- und Sägeschablonen

© Fraunhofer IAPT

Neben Anschauungsmodellen und Individualprothetik werden bei Operationen zunehmend additiv hergestellte Werkzeuge eingesetzt. So finden Bohr- und Sägeschablonen Anwendung, da es gilt, mithilfe von körpereigenen Knochen dysfunktionale Teile präzise auszutauschen und zu ersetzen. Entsprechend der vorliegenden Knochenstruktur werden diese speziellen Schablonen designt und nach vorher festgelegten und definierten Parametern additiv produziert. Das Resultat ist eine deutlich optimierte und somit sicherere Operationstechnik, was auf eine gesteigerte Präzision bei der Entnahme der Knochensegmente zurückzuführen ist.

Idividual Prothetik

© Fraunhofer I'APT

´Derzeit gibt es einen Paradigmenwechsel in der Medizin: weg von der Massenproduktion, hin zur Einzelanfertigung, weg von Einheitsgrößen, hin zu personalisierten Behandlungen. In diesem Zusammenhang haben sich additiv hergestellte Konstrukte und patientenindividuelle Implantate im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie aufgrund der Vielzahl komplexer Knochengeometrien im Schädelbereich als besonders wertvoll erwiesen. Darüber hinaus können nur geringfügige Dislokationen im Gesichtsbereich einen tiefgreifenden Einfluss auf die Funktion und das ästhetische Erscheinungsbild der Patienten haben. In solchen Fällen wurde gezeigt, dass patientenspezifische, additiv gefertigte Modelle die Versorgung der Patienten und im Weiteren die Kommunikation zwischen den Ärzten und Patienten verbessern.