Einleitung
Seit ihren Anfängen in den 1980er Jahren hat die dreidimensionale Drucktechnologie (3D-Druck) auch Einzug in das Gesundheitswesen gehalten. Zu den medizinischen Anwendungen des 3D-Drucks gehören der Einsatz patienten-spezifischer extra- und intrakorporaler Prothesen mit komplexen Rekonstruktionen der patienten-spezifischen Anatomie, das Anfertigen von Modellen zu Ausbildungszwecken, zur Qualitätssicherung sowie zur interdisziplinären Therapieplanung. Auch der 3D-Druck von lebendem Gewebe, im Rahmen des sogenannten „Bioprinting“, findet bereits Anwendung [1 ]
[2 ].
Für einen qualitativ hochwertigen medizinischen 3D-Druck werden hochauflösende diagnostische Bilddaten benötigt, die unter anderem aus Computertomografie- (CT-) oder Magnetresonanztomografie- (MRT-) Untersuchungen erhoben werden. Hier spielt die Radiologie eine zentrale Rolle. Sie verfügt über die notwendige Expertise sowohl zur Generierung und Verwaltung hochauflösender Bilddaten als auch zur Erstellung und Nachbearbeitung komplexer 3D-Modelle.
Im Folgenden wird ein Überblick über die grundlegenden Verfahrensweisen und Anwendungsbereiche des 3D-Drucks in der Medizin gegeben und zukünftige Entwicklungen und die prägende Rolle der Radiologinnen und Radiologen hervorgehoben.
Grundlagen des 3D-Drucks
Der 3D-Druck zählt zu den additiven Fertigungsverfahren und verwendet ein digitales Modell zur schichtweisen Herstellung eines physischen 3-D-Modells. Der mehrschrittige Prozess des 3D-Drucks kann konzeptionell in drei Hauptabschnitte unterteilt werden: Datenerhebung, Bildbearbeitung und der eigentliche 3D-Druck.
Datenerhebung
Der erzeugte Bilddatensatz stellt die Grundlage für den Fertigungsprozess des 3D-Drucks dar. Aus diesem Grund sollten bereits vor der Bildakquise für den 3D-Druck relevante Untersuchungsparameter berücksichtigt werden. Diese Parameter hängen sowohl von der gewählten Untersuchungsmodalität als auch dem geplanten Einsatz des Modells ab und besitzen dementsprechend eine hohe Variabilität. Derzeit dienen sowohl in der CT als auch in der MRT meist Standard-Untersuchungsprotokolle der diagnostischen Bildgebung als Grundlage für den 3D-Druck. Allerdings sind für den Druck knöcherner Strukturen [3 ] und insbesondere auch für den CT- oder MRT-basierten Druck kardialer Strukturen mittlerweile spezielle Protokolle im klinischen Einsatz [4 ]
[5 ]
[6 ]
[7 ].
Wird die CT als Grundlage des 3D-Drucks verwendet, sollten die Untersuchungen einen hohen Bildkontrast, ein hohes Signal zum Rauschen-Verhältnis und eine hohe räumliche Auflösung aufweisen. Schichtdicke von 1,25 mm oder weniger, kombiniert mit einem kleinen „field-of-view“ sind erstrebenswert, um eine möglichst niedrige Voxelgröße zu erreichen [8 ]. Niedrigere Schichtdicken können in einzelnen Anwendungsfällen, wie z.B. bei Rekonstruktionen der Orbita, notwendig sein [9 ], gehen aber mit einem erhöhten Nachbearbeitungsaufwand einher. Zusätzlich hat die Wahl des Rechenkerns (Kernel) einen Einfluss auf die räumliche Auflösung und das Bildrauschen [10 ]. Ein Knochenkernel kann in der Darstellung filigraner anatomischer Strukturen, wie z.B. dem Felsenbein, Vorteile bieten. Aufgrund des im Vergleich zum Knochenkernel geringeren Bildrauschens und der damit stattfindenden Kantenglättung ist jedoch häufig einem Weichteilkernel der Vorzug zu geben [11 ]. Moderne CT-Techniken, wie z.B. iterative oder auf künstlicher Intelligenz basierte Techniken zur Reduktion von Bildrauschen und Artefakten, können zusätzlich die Qualität der Bilddaten vor deren weiterer Verarbeitung verbessern [12 ]
[13 ].
Für den MRT-basierten Druck kardiovaskulärer Strukturen sind sogenannte EKG-getriggerte „3D-Balance-Steady-State-Precession“ und eine kontrastverstärkte MRT-Angiografie die am häufigsten eigesetzten Techniken [14 ]
[15 ]. Hiermit ist es auch bei pädiatrischen Patienten möglich, ohne ionisierende Strahlung diagnostische und zugleich für den 3D-Druck verwertbare Bilddaten zu erzeugen [4 ].
Dateiformate
Das international gültige „Digital Imaging and Communications in Medicine-“ (DICOM-) Format ist der etablierte Standard zur Speicherung und zum Austausch medizinischer Bilddateien der Sonografie, MRT, CT und Positronen-Emissions-Tomografie- (PET-) CT. Es eignet sich jedoch bislang nicht zur direkten Kommunikation mit 3D-Druckern. Diese benötigen ein Format, das einzelne Objekte und Flächen definiert, welche das Zielareal eines Raums Schicht für Schicht umschließen. Zwei häufig verwendete Standarddateiformate hierfür sind das „Standard Tessellation Language-“ (STL-) und das sogenannte „Object File-“ (OBJ-) Format. Diese Dateiformate zerlegen die Oberfläche des Zielobjektes in Dreiecke in einem kartesischen Koordinatensystem [16 ]
[17 ]. In den letzten Jahren hat sich das „Additive Manufacturing File Format“ (AMF) als weiterentwickeltes Dateiformat etabliert, welches zusätzlich eine Hinterlegung von Merkmalen, wie z.B. Oberflächentextur, Farbe und Materialeigenschaften für ein Zielmodell erlaubt [18 ].
Bildbearbeitung
Um die DICOM-Daten in ein für den 3D-Druck geeignetes Format zu überführen, muss eine Segmentierung der Bilddaten stattfinden. Dabei werden Voxel, die zu einer anatomischen Struktur (engl. „Region of Interest“) gehören, einem Volumen oder einer Maske zugeordnet. Dieser Prozess kann manuell oder mit Hilfe (semi-) automatischer Verfahren durchgeführt werden. Dazu gehören die Erweiterung um benachbarte Voxel (engl. „Region Growing“), die Definition von Schwellwerten zur Zuordnung der Voxel (engl. „Thresholding“) oder die Erkennung von Objektkanten (engl. „Edge Detection“). Hierzu werden die DICOM-Dateien in eine Software importiert, die speziell zur Segmentierung und Gestaltung von 3-D-Modellen geeignet ist. Eine Überprüfung des Ergebnisses durch Radiologinnen und Radiologen ist hierbei ratsam, um zu bestätigen, dass das digitale Modell die anatomischen Strukturen richtig wiedergibt und den nötigen Anforderungen für den 3D-Druck entspricht ([Abb. 1 ]).
Abb. 1 Nachbearbeitung kontrastverstärkter CT-Bilder der Bauchaorta in axialer Schichtführung a . In der initialen Segmentierung b Darstellung eines gemeinsamen Lumens von Aorta und Truncus coeliacus aufgrund einer engen Lagebeziehung (weißer Pfeil). Nach manueller Korrektur anatomisch regelrechte Darstellung der getrennten Lumina (weißer Pfeil) c . Z.B. bei der Planung patientenspezifischer Stents/Gefäßprothesen muss eine anatomisch korrekte Darstellung der Gefäße gegeben sein. Ebenso bei dem 3D-Druck von Gefäßen zu Trainingszwecken ist es notwendig, den Abgang eines Gefäßastes regelhaft darzustellen.
Die segmentierten Daten werden anschließend in ein für den 3D-Druck geeignetes Dateiformat konvertiert. Die weitere Bearbeitung dieses Datensatzes erfolgt dann mit spezieller 3-D-Software, welche als „Computer Aided Design-“ (CAD-) und „Computer Aided Manufacturing-“ (CAM-) Software bezeichnet wird. Hiermit können weitere, für den 3D-Druck spezifische Anpassungen und Fehlerkorrekturen vorgenommen werden. In diesem Schritt werden, falls erforderlich, dem Modell auch zusätzliche Stützelemente hinzugefügt, um das Modell während des Drucks in Position zu halten oder auch um Überhänge drucken zu können [19 ]. Einige grundlegende Funktionen der Bildbearbeitung, wie die Segmentierung und die Überführung in andere Dateiformate für die Erstellung eines Modells für den 3D-Druck, können mittlerweile auch schon mittels „Advanced Visualization Software“ durchgeführt werden. Dabei handelt es sich um spezialisierte Computerprogramme zur Verarbeitung, Analyse und Visualisierung medizinischer Bilddaten. Häufig in der Literatur erwähnte Programme sind „Vitrea“ (Canon Medical Systems Europe B.V.; Niederlande), „Mimics“ (Materialise; Belgien) and „Syngo.via“ (Siemens Healthineers; Deutschland).
Aufgrund der Komplexität von 3-D-Modellen und der enormen Wichtigkeit der geometrischen Genauigkeit der Modelle, insbesondere bei patienten-spezifischen Implantaten, ist der Prozess der Bildbearbeitung herausfordernd. Dies betrifft vor allem die Kompatibilität der Daten, die Behebung von Modellfehlern, eine Berücksichtigung der Druckmaterialien und -technologien sowie die optimalen Einstellungen der Druckparameter. Dieser Prozess erfordert also eine enge Zusammenarbeit der beteiligten Fachbereiche sowie eine sorgfältige Planung und Prüfung der Prozesskette. Zur Qualitätssicherung müssen die einzelnen Arbeitsschritte durch besonders qualifizierte Expertinnen und Experten überwacht und kontrolliert werden. Hierzu zählen aufgrund der technischen Ansprüche des 3D-Drucks vor allem Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftler und Ingenieurinnen und Ingenieure. Für die radiologische Bildgebung, ihre Techniken sowie die Prüfung der anatomischen Korrektheit des 3D-Modells kommt Radiologinnen und Radiologen eine entscheidende Rolle zu.
Drucken des 3D-Modells
3D-Drucker erzeugen aus den 3D-Druckdateien Modelle, welche zumeist als aufeinanderfolgende Materialschichten aufgetragen werden. Bei der Wahl der Drucktechnologie sind neben Verfügbarkeit und Kosten des Druckers weitere Aspekte zu berücksichtigen. Hierzu gehören die für den Druck benötigte Zeit, die Auswahl der mit dem jeweiligen Drucker verwendbaren Materialien, insbesondere die Möglichkeit zum farbigen Druck, die Biokompatibilität, die Sterilisierbarkeit des 3D-Drucks, die Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit des Materials und die Frage nach der Notwendigkeit, verschiedene Materialien gleichzeitig drucken zu können. Mittlerweile haben sich eine Vielzahl verschiedener Drucktechnologien entwickelt. Im Folgenden werden die drei grundlegenden und am häufigsten zum Einsatz kommenden Verfahren vorgestellt ([Abb. 2 ]). Eine Übersicht hierzu findet sich in [Tab. 1 ].
Abb. 2 Schematische Darstellung der vorgestellten additiven Fertigungsverfahren. Prinzipiell lassen sich die für den Druck verwendeten Materialien in flüssige und feste Werkstoffe unterteilen (mittlere Reihe). Beim Fused Deposition Modelling (FDM) wird ein thermoplastisches Polymer durch eine erhitzte Nadel extrudiert. Bei Sinterungsverfahren (Selective Laser Sintering; SLS) wird durch einen Laser pulverförmiges Material verschmolzen. Bei der Stereolithografie (SLA) wird durch einen Laser ein lichtempfindliches Kunstharz zum Aushärten gebracht.
Tab. 1 Übersicht der im medizinischen 3D-Druck am häufigsten angewendeten Druckverfahren.
Methode
Beschreibung
Materialien
Medizinische Anwendung
Gerätekosten in EUR
Stärken
Schwächen
Räumliche Auflösung [20 ]
Druck-geschwindigkeit
Fused Deposition Modeling (FDM)
Schichtweise Extrusion eines Filaments/Thermoplasten
Kunststoffe/Thermoplasten z.B. Polyactid und Polyethylen-
terephthalat;
u.a. mit Biokompatibilität
Planungs- und
Simulationsmodelle, Phantome, Prothesen,
Ersatzteile
200 –
100.000
Weit verbreitet, Vielzahl an
Materialien &
Farben, kostengünstiges Filament,
Gleichzeitige Verwendung unterschiedlicher Materialien,
Langlebigkeit
Raue Oberflächen, niedrige Auflösung, Neigung zu Verzerrung während des Druckes
z-Achse:
0.1–0.5 mm
x-y-Achse:
0.1–0.4 mm
Ø 100–200mm/h
Stereo-lithografie (SLA)
Aushärtung von Photopolymer-Kunstharz unter UV-Licht
Epoxid/Kunstharz;
u.a. mit Biokompatibilität
Planungs- und
Simulationsmodelle, Phantome, Dentalchirurgie
Gefäßmodelle
200 –
150.000
Hohe Auflösung,
komplexe Modelle möglich,
Glatte Oberfläche, Vielzahl an
Materialien
Nachbearbeitung erforderlich,
Lange Druckzeiten
Keine gleichzeitige Verwendung versch. Materialien möglich
z-Achse:
0.02–0.2 mm
x-y-Achse:
0.075–0.2 mm
Ø 50–100mm/h
Selektive Sinterung (SLS)
Bindung eines puderförmigen Substrates mittels Laserstrahlung
Polymere, Metalle, Keramik und andere;
u.a. mit Biokompatibilität
Implantate,
Osteosynthesen, Operationsbesteck
150.000–
800.000
Robuste Gegenstände,
Vielzahl an
Verwendbaren Materialen,
Herstellung sterilisierbarer Objekte, gute
Biokompatibilität
Kostenintensiv.
Lange Druckzeiten
Keine gleichzeitige Verwendung versch. Materialien möglich
z-Achse:
0.1–0.2 mm
x-y-Achse:
0.075–0.2mm
Ø 15–20mm/h
Druckverfahren
Schmelzschichtung/Fused Deposition Modeling
Das Schmelzschichtungsverfahren (engl. „Fused Deposition Modeling“ /FDM) ist das am weitesten verbreiteten Verfahren für den 3D-Druck. Hierbei wird ein thermoplastisches Polymer (Feststoff) durch eine erhitzte Düse extrudiert, um dann auf einem erhitzten Druckbett platziert zu werden und schichtweise auszukühlen. Die erzeugten Modelle sind leicht, kostengünstig und verhältnismäßig schnell zu erstellen ([Tab. 1 ]). Vorteile sind die breite Verfügbarkeit thermoplastischer Polymere oder Mischungen dieser und ähnlicher Kunststoffe. Zusätzlich können diese Materialien bereits während des Druckverfahrens mit weiteren Materialien wie Carbonfasern kombiniert und verstärkt werden [21 ]. Bei dieser Technologie ist außerdem der gleichzeitige Einsatz mehrerer Farben oder ein alternierender Druck verschiedener Materialien im selben Modell möglich. So lassen sich beispielsweise Stützstrukturen integrieren, die nach der Fertigstellung des Druckes in Wasser aufgelöst werden können [22 ].
Als Nachteil wird, im Vergleich zu anderen Drucktechniken, eine geringere räumliche Auflösung und Präzision gesehen ([Tab. 1 ]). Deshalb wird der FDM-Druck eher in Machbarkeitsstudien und bei der Herstellung kostengünstiger Prototypen oder von Simulationsmodellen eingesetzt.
Stereolithografie/Resindruck
Die Stereolithografie (SLA oder Resindruck) verwendet lichtempfindliche, gelöste Kunstharze, welche je nach Bauartprinzip mit unterschiedlichen Lichtquellen mit spezifischem Wellenlängenspektrum schichtweise zur Aushärtung gebracht werden. Das Modell wird hierbei “überkopf-hängend”, einer Grundplatte anhaftend, schichtweise aus dem Kunstharzreservoir “gezogen”. Dieser Prozess nennt sich Photopolymerisation und bietet eine große Auswahl an verwendbaren Materialien. Hierbei ist es möglich, den Kunstharzen zusätzliche Füllmaterialien wie Glasfaser oder Kohlefaser hinzuzufügen, um z.B. die Festigkeit zu erhöhen oder das Gewicht des Werkstückes zu reduzieren [22 ]. Außerdem können auch biokompatible Materialen verwendet werden, um 3D-Modelle zur extra- und intrakorporalen Nutzung herzustellen. Die geometrische Präzision und Auflösung der mit dieser Technik erstellten Bauteile übersteigt die des FDM-Verfahrens ([Tab. 1 ]).
Zu den Nachteilen des SLA-Druckes gehört die aufwendigere Nachbearbeitung der Bauteile, da diese nach der Entnahme aus dem Kunstharz-Becken meist mit Isopropyl-Alkohol gewaschen werden und anschließend unter UV-Licht aushärten müssen.
Nichtsdestotrotz hat sich die Stereolithografie im medizinischen Bereich durchgesetzt, da sie eine hohe Präzision der Modelle, sowie eine verhältnismäßig schnelle Fertigung ermöglicht ([Tab. 1 ]).
Damit eignet sich der SLA-Druck insbesondere für die Fertigung von Prototypen von Medizinprodukten mit engen geometrischen Toleranzen und glatten Oberflächen sowie für funktionsfähige Endverbraucherteile und detailreiche Anatomiemodelle [23 ].
Selektive Sinterungsverfahren (SLS, DMLS und SLM)
Beim selektiven Sinterungsverfahren wird unter Einsatz eines Lasers mit hoher Leistung ein pulverförmiges Substrat, z.B. Nylon oder auch Metallpulver, verschmolzen. Zudem sind im Gegensatz zu den anderen Verfahren keine Stützstrukturen notwendig, da das nicht-verschmolzene Materialpulver während des Druckens das 3D-Modell umgibt und dieses stützt. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit zur Verwendung metallischer Legierungen für hochfeste und sterilisierbare Bauteile mit teilweise exzellenter Biokompatibilität.
Nachteile sind die hohen Anschaffungskosten von speziellen Druckgeräten und Materialien, sodass der Einsatz im klinischen Alltag bisher noch selten ist.
Dieses Verfahren hat sich vor allem in der Herstellung von Implantaten, z.B. in der Trauma- oder Tumorversorgung oder zur Herstellung von Zahnersatzimplantaten durchgesetzt [24 ].
Anwendungsbereiche in der Medizin
Anwendungsbereiche in der Medizin
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts waren 3D-Drucker nur eingeschränkt verfügbar und damit ihre medizinische Anwendung begrenzt. Sie wurden zunächst vor allem in der Orthopädie und Traumatologie eingesetzt. Durch eine stetige Verbesserung der Druckqualität konnten neue medizinische Anwendungsgebiete erschlossen werden. Im Folgenden werden Beispiele der wichtigsten Anwendungen aus dem 3D-Druck-Zentrum unserer Institution aufgezeigt.
Neurochirurgie und Neuroradiologie
In der Neurochirurgie und Neuroradiologie kommen zerebrovaskuläre 3D-Modelle für die Planung komplexer chirurgischer oder endovaskulärer Eingriffe zum Einsatz, sowie für die Ausbildung von medizinischem Personal. Hierbei werden vor allem anatomische Lagebeziehungen visualisiert und anatomische Besonderheiten präinterventionell dargestellt. Somit lassen sich z.B. vorab bereits entsprechende Katheter- und Embolisationsmaterialien erproben [25 ]
[26 ]. Ein solches Trainingsmodell eines Aneurysmas der A. communicans posterior ist in [Abb. 3 ] dargestellt ([Abb. 3 ]).
Abb. 3
a+b 3-D-Rotationsangiografie eines Aneurysmas der A. communicans posterior links (Stern) am Abgang aus der A. carotis interna (Pfeil) am Patienten. c 3-D-Rendering des Aneurysmas, erstellt mit Meshmixer (Autodesk) inklusive eines Anschlussadapters für den Simulator neurovaskulärer Eingriffe; d 3D-Modell, gedruckt mit einem Stereolithografie 3D-Drucker von Formlabs.
Darüber hinaus kann anhand von 3D-Modellen auch die Erprobung neuer und innovativer Therapieoptionen und Vergleichsstudien unterschiedlicher Interventionsoptionen durchgeführt werden [27 ].
Der 3D-Druck patienten-spezifischer Schädelrekonstruktionen, z.B. in Form von Titanplatten, bei komplexen traumatischen Defekten oder nach Tumorresektion und personalisierten 3D-Implantate oder Osteosyntheseschrauben in der Wirbelsäulenchirurgie bieten neue Behandlungsmöglichkeiten [28 ]
[29 ].
Mund-Kiefer-Gesichts-Chirurgie
In der Mund-Kiefer-Gesichts- (MKG-) Chirurgie wird der 3D-Druck auch aus ästhetischen Gesichtspunkten vor allem bei patienten-individuellen Implantaten, z.B. bei einer Kiefer- oder Orbitaboden-Rekonstruktion ([Abb. 4 ]) oder bei dem Erstellen von Schienen in der orthognatischen Chirurgie eingesetzt [30 ]
[31 ]. Bei angeborenen Gesichtsmissbildungen oder traumatischen Defekten kann die gesunde Gegenseite des Gesichts als spiegelbildliche Vorlage für eine seitensymmetrische Rekonstruktion mit 3D-Modellen dienen. Dabei werden an dem durch eine Segmentierung erstellten Schädelmodell verschiedene komplexe Ebenen ausgerichtet. Entlang einer Gesichtsmittellinie wird dann die gesunde Seite auf die traumatisch veränderte Seite gespiegelt [32 ]
[33 ].
Abb. 4
a Darstellung einer komplexen Orbitabodenfraktur links nach einem Verkehrsunfall bei einer 73-jährigen Patientin mit digitaler Volumentomografie (DVT). b Grün: Orbitaboden gespiegelt von der rechten (gesunden) Seite. Graues Implantat: Virtuell gestaltetes Patienten-spezifisches Implantat. c Patienten-spezifisches Implantat angefertigt mittels selektiven Lasersinterns (SLS).
Kardiovaskuläre Chirurgie
In der kardiovaskulären Chirurgie kommt der 3D-Druck im Zusammenhang mit Herzerkrankungen zum Einsatz. Er dient vor allem der Darstellung angeborener komplexer struktureller Herzfehler oder Tumorpathologien und damit der präoperativen Strategieentwicklung ([Abb. 5 ]). Auch hier wird an der Herstellung von patienten-spezifischen Implantaten geforscht, um z.B. bei der Versorgung von Aortenaneurysmen eine verbesserte Abstimmung zwischen der patienten-spezifischen Anatomie und Aortenprothese zu erreichen, was zu einer verbesserten Hämodynamik und konsekutiv besseren langfristigen Offenheit der einliegenden Prothese führt [34 ]
[35 ].
Abb. 5
a Segmentierung der Blutpol-Phase eines Herzens und der angrenzenden großen Gefäße (rot) anhand einer CT. Die Rekonstruktion erfolgte über das open source tool Slicer, wie von Fedorov beschrieben [36 ]. Es liegt ein Hypoplastisches Linksherzsyndrom (HLHS) vor. Der Aortenbogen ist hypoplastisch. Es liegt zudem ein persistierendes Foramen ovale und eine persistierende linke ober Hohlvene vor. Die Kopf-Hals-Gefäße gehen regulär aus dem transversen Aortenbogen hervor, welcher bei Aortenklappen- und Mitralklappenatresie insgesamt retrograd mit Blut versorgt wird. Die 3-D-Bildgebung und der aus Silikon erzeugte 3D-Druck wurde bei der Diagnostik und Planung der Therapie zur Hilfe genommen. Der 3D-Druck wurde mittels eines 3D-Druckers von Formlabs erzeugt b+c .
Muskuloskelettale Anwendungen
Die Orthopädie stellt mit dem 3D-Druck patienten-spezifischer Prothesen einen der größten Absatzmärkte im medizinischen 3D-Druck dar. Darüber hinaus können individuelle Fixierungsplatten, chirurgische Osteotomieschablonen und Implantate aus 3-D-Daten generiert werden [37 ]. Ein weiterer Einsatzbereich ist der 3D-Druck komplexer Frakturen zur Planung der späteren operativen Versorgung ([Abb. 6 ]) [38 ].
Abb. 6
a Segmentierung einer mehrfragmentären, dislozierten Tibiafraktur anhand einer nativen CT für den 3D-Druck des Frakturmodells im FDM-Verfahren. b+c 3-D-Frakturmodell einer komplexen mehrfragmentären bikondylären Tibiakopffraktur zur präoperativen Planung; gedruckt mit einem Fused Deposition Modeling 3D-Drucker von UltiMaker.
Bei Patienten mit einer unilateralen Erkrankung, z.B. im Rahmen komplexer Frakturen, Tumorresektionen oder Osteotomie-Operationen, kann softwaregestützt die normale Anatomie der nicht betroffenen Seite gespiegelt werden, um ein 3D-Modell für die betroffene Seite als Vorlage für eine seitensymmetrische Rekonstruktion zu erhalten. Auch nach Tumorresektion können 3D-Modelle für das passgenaue Zuschneiden von Transplantaten zur Deckung von Resektionsdefekten genutzt werden [39 ].
Strahlentherapie
Eine vermehrte Nutzung des 3D-Drucks in der Strahlentherapie erfolgt zur Produktion von Phantomen zur Bestrahlungsplanung, Qualitätssicherung und Forschung. Ein Beispiel hierfür sind mit SLA gefertigte Mausphantome, die in der präklinischen Bestrahlungsplanung eingesetzt werden ([Abb. 7 ]). Dies dient der Qualitätssicherung der Verfahren sowie der Ausbildung des Personals und führt langfristig zur Reduzierung von Versuchstieren [40 ]. Zusätzlich kann in der Anfertigung von Phantomen der 3D-Druck für die Herstellung anatomischer Gussformen verwendet werden, welche in vielen Fachbereichen Anwendungen finden können [41 ]. Die indirekte Fertigung bietet hier den Vorteil, nicht nur Druckmaterialien, sondern auch eine breite Auswahl an gewebeäquivalenten Materialien nutzen zu können. Darüber hinaus wurde auch der erfolgreiche 3D-Druck von Applikatoren für die Brachytherapie beschrieben [42 ].
Abb. 7 Anwendungsbeispiel in der Strahlentherapie am Beispiel eines Mausphantoms: a Datenerhebung mittels CT-Bildgebung einer Maus. b Segmentierung der wichtigsten inneren Organe. c Erstellung des 3D-Modells. d Mittels SLA gefertigtes Phantom. e Anwendung des Mausphantoms in der Bestrahlungsplanung. f Messung der Strahlendosis für die Verifikation präklinischer Experimente.
Bioprinting
Bioprinting beschreibt ein 3D-Druck-Verfahren, bei dem als Druckmaterialien Zellen, Wachstumsfaktoren und Biomaterialien genutzt werden [43 ]. Die hiermit erstellten Biostrukturen können Organteile oder auch ganze Organe mit zunehmender Komplexität ersetzen.
So erlaubt das Bioprinting mittlerweile den Druck von Hautersatzpräparaten, die z.B. für die Versorgung von Brandopfern genutzt werden. In speziellen Verfahren kann sogar unmittelbar auf den vorbehandelten Hautdefekt gedruckt werden [44 ].
Personalisierte Herzklappen, welche nicht nur die individuelle Patientenmorphologie berücksichtigen, sondern auch mittels Bioprinting physiologisch aktives Gewebe inkorporieren, sind ein weiteres Anwendungsgebiet ([Abb. 8 ]) [45 ].
Abb. 8
a Bio-3D-Drucker der auf dem von Tashman et. al beschriebenen Prinzip beruht, einen Fused Deposition Modeling 3D-Drucker zu modifizieren [46 ]. b–d Aus Alginat 3-D gedrucktes Herzklappenmodell (27mm Durchmesser); gedruckt mit einem Bioprinter mittels des sogenannten Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels-Verfahren, welches von Lee et al. beschrieben wurde [47 ].
Ein Ziel des Bioprintings ist der Druck ganzer menschlicher Organe. Erst kürzlich erfolgte die erste Transplantation von kardialem Ersatzgewebe, sogenannten „Cardiac Patches“. Hierbei wurde omentales Gewebe aus dem Peritoneum mit pluripotenten, umprogrammierten Stammzellen beschichtet, um damit funktionelles Herzgewebe zu ersetzen [48 ].
Zukünftige Möglichkeiten für die Radiologie
Zukünftige Möglichkeiten für die Radiologie
Verglichen mit anderen Ländern ist die Rollenverteilung des medizinischen 3D-Drucks in Deutschland noch sehr heterogen und liegt in den Händen einzelner, häufig nicht radiologischer Abteilungen. Nicht selten haben einzelne Fachabteilungen/Institute, z.B. die Orthopädie und Strahlentherapie, ihre eigenen 3D-Druckersysteme und arbeiten eigenständig. Um jedoch die Methodik des 3D-Drucks mit seinem breiten Anwendungsspektrum effizienter und kostengünstiger zu nutzen, wäre eine Bündelung der einzelnen Expertisen und Ressourcen wünschenswert. Hier könnte die Radiologie zukünftig eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung und Durchführung des 3D-Drucks einnehmen. Insbesondere radiologische Kernkompetenzen wie Kenntnisse der Bildakquisition, Visualisierung und Bilddatenverarbeitung sowie der Umgang mit Bildartefakten, Wissen über klinischen Kontext und die Kommunikation mit Anforderinnen und Anforderern decken wesentliche Schritte der Druckvorbereitung ab [20 ]
[49 ].
Eine qualitative Vorabsichtung der Bilddaten ist nötig, da beispielweise bereits entstandene CT-Bilddaten aus der ambulanten Radiologie nicht ohne weiteres für ein endoprothetisches 3D-Modell verwendet werden können. Im ambulanten Sektor wird bei Untersuchungen mit Röntgenstrahlen häufig im Rahmen des Strahlenschutzes das „ALARA-Prinzip“ angewendet („As low as reasonably achievable“), z.B. unter der Verwendung eines Zinn-/Silberfilters. Das führt zu einem höheren Bildrauschen, insbesondere bei den für ein 3D-Modell anzustrebenden, dünnschichtigen 1 mm-Rekonstruktionen [29 ]
[36 ]
[50 ]. Zusätzlich werden im ambulanten Bereich standardmäßig häufig nur dünnschichtige Rekonstruktionen im Knochenkernel durchgeführt. Für die Erstellung eines 3-D-Modells ist ein Weichteilkernel zu bevorzugen, der meistens nur in einer Schichtdicke von 2–3 mm standardmäßig rekonstruiert wird, was zu sogenannten „stair-case“-Artefakten führt [29 ]
[36 ]. Für die Erstellung eines adäquaten 3D-Modells muss daher häufig die jeweilige Untersuchung wiederholt werden, weshalb eine Anbindung an ein 3D-Druck-Zentrum dieser Patienten wünschenswert wäre.
Eine hohe Expertise in der Erstellung von 3-D-Renderings für den 3D-Druck erlaubt eine gezielte Vermeidung von Fehlerquellen. Beispielsweise kann es beim Erstellen von 3-D-Renderings häufig zur artifiziellen Glättung („smoothing“) von anatomischen Strukturen, wie z.B. Gefäßunebenheiten, kommen. Auch werden beim Segmentieren und beim Rendering teilweise kleinere Gefäßabgänge, z.B. im Kopf-Halsbereich Abgänge der A. ophthalmica oder A. choroidea anterior aus der A. carotis interna, zur Vereinfachung des 3D-Drucks automatisch entfernt. Ob solche Veränderungen und Anpassungen für den jeweiligen Anwendungsbereich, z.B. für einen Trainingskurs an einem Simulator oder bei patienten-spezifischen Implantaten/Stents von Relevanz sind, kann nur durch erfahrenes medizinisches Fachpersonal mit radiologischer Fachkompetenz beurteilt werden. Durch die radiologische Expertise im Bereich der Segmentierung kann aber auch bereits vorab, z.B. bei komplexen neurochirurgischen oder neuroradiologischen Gefäßeingriffen, eine Einschätzung über die potenzielle Durchführbarkeit eines erfolgreichen 3D-Drucks gegeben werden. So sind z.B. komplexe AV-Malformationen mit kleinem Nidus mit den derzeit entwickelten Techniken nur schwierig detailgetreu zu rekonstruieren und zu drucken.
Um solchen Problemen effizienter entgegentreten zu können, würden sich 3D-Druckzentren mit überdisziplinären Strukturen anbieten. Besonders im Hinblick auf die Herausforderungen an die Bildgebung und als Bindeglied zwischen den einzelnen Arbeitsschritten, u.a. zur Qualitätssicherung und -prüfung, kann der Radiologie hier neben der reinen Dienstleisterrolle eine entscheidende beratende Rolle zukommen.
Trotz der großen Innovationskraft gibt es neben rechtlichen Hürden, wie z.B. Haftungsfragen, aktuell noch keine medizinischen Leitlinien, die den Einsatz des 3D-Drucks empfehlen. Auch die Finanzierung des 3D-Drucks im klinischen und ambulanten Bereich ist bisher nicht vollumfänglich geregelt und wird derzeit in Deutschland noch nicht von den Krankenkassen übernommen. Aus diesem Grund wird im klinischen Alltag der 3D-Druck primär nur im Rahmen klinischer Studien durchgeführt und häufig erfolgt die Segmentierung aufgrund des hohen zeitlichen Aufwandes durch nicht-ärztliches Personal und nur teilweise unter ärztlicher Supervision.
Aktuell beschäftigen sich sowohl radiologische als auch nicht-radiologische Fachgesellschaften zunehmend mit den noch bestehenden Herausforderungen. So hat beispielsweise die „Society for Manufacturing Engineers“ (SME) eine eigene Arbeitsgruppe für den medizinischen 3D-Druck eingerichtet und die „Radiological Society of North America“ (RSNA) hat die „3D Special Interest Group“ (SIG) gegründet, um Aus- und Weiterbildung in diesem Bereich zu fördern sowie die Forschung an der Machbarkeit und dem Nutzen der Anwendungen des 3D-Drucks voranzutreiben [46 ]
[47 ].
Zusammenfassung
Richtig umgesetzt verspricht der medizinische 3D-Druck eine verbesserte personalisierte Patientenversorgung.
Neben der Erstellung individueller anatomischer Prothesen und Modelle ist ein zukünftiger vielversprechender Ansatz das Bioprinting.
Eine exakte Bildakquisition mit detailgetreuer Darstellung der anatomischen Zielregion ist für den heutigen 3D-Druck notwendig, weshalb das radiologische Fachwissen hierbei bereits jetzt eine zentrale Rolle einnimmt. Der 3D-Druck in der Medizin basiert zum großen Teil auf anatomischen Daten, für deren korrekte Akquise die Radiologie verantwortlich ist, und die diese interpretiert. Aus diesem Grund sollte sie eine Schlüsselposition bei der Herstellung medizinischer 3-D-Modelle einnehmen.
Um die Integration des 3D-Drucks innerhalb des deutschsprachigen Raums im medizinischen Alltag voranzutreiben und die Forschung auf diesem Gebiet auszubauen, ist es sinnvoll, eine zentrale Organisationsstruktur zu schaffen, in der Ressourcen verschiedener Fachdisziplinen gelenkt werden. Als Knotenpunkt vieler Schritte des 3D-Drucks in der Medizin bietet sich die Radiologie als eine solche zentrale Einheit an. Ihr könnte eine zunehmende überdisziplinäre, vernetzende Rolle zukommen um medizinische Kolleginnen und Kollegen, sowie die Design- und Ingenieur-Bereiche, auf eine Weise zu unterstützen, die über die Bildinterpretation hinausgeht.
Trotz derzeit bestehender rechtlicher Hürden und fehlender Finanzierung sowie mangelnder Berücksichtigung in medizinischen Leitlinien findet der 3D-Druck bereits breite Anwendung und bietet zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten in der Medizin.
