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Innovationen aus dem 3D-Labor – Willkommen in der Zukunft

Ralph Schröder, 21.04.2022
Das Institut für Radiologie des KSA verfügt über ein eigenes 3D-Labor. Hier entstehen 3D-Modelle von Organ- und Körperstrukturen auf der Basis von 3D-basierten CT- und MRT-Bildern.

Das Potenzial für die präoperative Planung mit 3D-Modellen haben die Kliniken für Urologie und Neurochirurgie bereits entdeckt. Die Türen sind weit offen.

Stellen Sie sich folgendes Zukunftsszenario vor: Ein Patient wird zu einer CT-Untersuchung aufgeboten, weil sich nach ersten Befunden der Verdacht erhärtet hat, dass sich auf seiner Niere ein kleiner Tumor befindet, der operativ entfernt werden muss. Der für die CT-Untersuchung zuständige Radiologe nimmt in vorgängiger Absprache mit dem Chirurgen die entsprechenden Einstellungen am CT-Gerät vor. Nach der Untersuchung stehen den Ärztinnen und Ärzten nicht nur detailreiche Schichtbilder für die Operationsvorbereitung zur Verfügung, sondern auch ein physisch greifbares 3D-Modell der Niere mit dem Tumor, das auf einem 3D-Drucker ausgedruckt wurde, der sich im benachbarten 3D-Labor mit Anschluss an den CT befindet. Der Chirurg bekommt damit die Möglichkeit, die exakten Lageverhältnisse des Tumors zu benachbarten Strukturen wie Nerven oder Blutgefässen realitätsgetreu zu sehen und von allen Seiten zu betrachten und anfassen zu können. Der Eingriff kann aus diesem Grund extrem exakt und noch schonender (minimal-invasiv) vorgenommen werden als bisher. Gleichzeitig ist der Operateur in der Lage, Ihnen den Eingriff an einem realen Modell Ihrer eigenen Niere anschaulich zu erklären.

Weg von der 3D-Rotationsangiografie über die Segmentierung, Nachbearbeitung und den 3D-Druck bis zum fertigen Modell eines Hirngefässes im Schädel.
   
   

Das 3D-Labor im KSA

Per Knopfdruck zu einem physischen 3D-Modell einer ausgewählten, individuellen Körperstruktur? Davon sind wir noch weit entfernt. Doch ist man im KSA bereits heute in der Lage, auf der Basis von 3D-basierten Datensätzen von Röntgenaufnahmen oder 3D-Rotationsangiografien 3D-Modelle zu drucken, und zwar im seit 2017 im Institut für Radiologie existierenden 3D-Labor. Das KSA gehört zu den wenigen Schweizer Spitälern, die mit dieser innovativen Methode arbeiten und den klinischen Nutzen, insbesondere für die präoperative Vorbereitung der chirurgischen Kliniken, untersuchen. Vorreiter im 3D-Druck für den Bereich Kiefer war zunächst die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Den Nutzen von im 3D-Labor hergestellten Organmodellen und -strukturen haben zwei weitere Kliniken im KSA erkannt. Die Klinik für Urologie sowie die Klinik für Neurochirurgie arbeiten bereits in bestimmten und dafür geeigneten Fällen mit 3D-Modellen. Ein vom Forschungsrat unterstütztes 3D-Projekt der Neurochirurgie untersucht z. B. aktuell in einer Studie mit dem Titel «Patientenspezifische dreidimensionale Modelle zur präoperativen Planung der intrakraniellen Aneurysmenchirurgie» den spezifischen Nutzen dieser 3D-Modelle für die Operationsplanung. Über die entsprechende Expertise zur Herstellung von 3D-Modellen im 3D-Labor, die laufend weiterentwickelt wird, verfügt aktuell ein Team im Institut für Radiologie, bestehend aus Dr. Tim Ohletz, Oberarzt mbF Radiologie und Dr. Javier Anon, Leitender Arzt Neuroradiologie. Das 3D-Labor befindet sich in den Räumlichkeiten der Radiologie im Haus 1.

Wie entsteht ein 3D-Modell?

Grundsätzlich lassen sich heute von jedem Organ oder von ausgewählten und definierten Körperstrukturen (Skelett- und Weichteilen) hochaufgelöste, detailreiche anatomische Modelle mit sehr feinen Details im 3D-Labor herstellen. Voraussetzung dafür sind ein sogenannter SLA-Präzisionsdrucker (Stereolithografie), entsprechende 3D-Datensätze aus einem CT, einem MRT oder einer 3D-Rotationsangiografie (zur Darstellung von Blutgefässen) sowie entsprechende Software, die es einerseits erlaubt, definierte Körperregionen aus den 3D-Datensätzen zu segmentieren und zusammenzubauen, sowie eine, welche die so bearbeiteten Daten für den 3D-Drucker aufbereitet. Doch last but not least braucht es immer die Expertise der Radiologin und des Radiologen resp. der Neuroradiologin und des Neuroradiologen sowie der behandelnden Ärztinnen und Ärzte, die einerseits genau definieren, was im Modell sichtbar werden soll, andererseits die segmentierten Strukturen auf seine Realitätsechtheit hin überprüfen können und die Software beherrschen. Sind die Daten nach den gewünschten Kriterien der involvierten Radiologinnen, Radiologen, Chirurginnen und Chirurgen entsprechend aufbereitet, baut der 3D-Drucker das Modell in ganz feinen Schichten von nur einem Zwanzigstel Millimeter auf. Zum Einsatz kommen dabei lichtempfindliche Kunstharze (fotosensitive Polymere), die unter Laser aushärten. Dabei können unterschiedliche Kunstharze eingesetzt werden, um besondere Effekte wie Transparenz oder Elastizität von Strukturen zu erzeugen, vergleichbar mit einem Farbdrucker, wo unterschiedliche Farbkartuschen oder -patronen die gewünschten Farben herstellen. Und selbstverständlich können auch am fertigen 3D-Modell bestimmte Regionen oder Teile nachträglich als Orientierungshilfe oder für deutlichere Sichtbarkeit unterschiedlich von Hand eingefärbt werden.

Nutzen und Potenzial

Die Resultate sind verblüffend detailgetreu und filigran, insbesondere wenn beispielsweise Blutgefässstrukturen herausgearbeitet werden. Die Herstellung vom 3D-Datensatz bis zum fertigen 3D-Modell ist in jedem Fall aufgrund dieser zahlreichen Zwischenschritte mit einem gewissen Aufwand verbunden. Der Kosten-Nutzen-Faktor ist dabei mit Sicherheit zu beachten, doch die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten sind noch längst nicht ausgeschöpft, sagen die 3D-Laborspezialisten. So ist allenfalls mit Einsparungen bei der Operationszeit zu rechnen, wenn aufgrund einer präzis möglichen Operationsplanung mithilfe eines 3D-Modells effizienter und ressourcenschonender operiert werden kann und sich ein Patient aufgrund der dadurch minimal-invasiv möglichen Operation schneller von einem Eingriff erholt.

«Ein 3D-Modell fungiert wie eine Art Operationssimulator», sagt z. B. Tim Ohletz. Auch in der Luftfahrt werde im Simulator trainiert, bevor geflogen wird. Auf diese Weise könne auch an einem 3D-Modell vorab erprobt werden, mit welchem Instrumentarium man z. B. einen Eingriff machen wolle und auf welche Strukturen man besonders Acht geben muss usw. Und ganz wichtig: Ein 3D-Modell erlaubt immer eine Haptik, die beispielsweise virtuelle oder animierte 3D-Aufnahmen am Bildschirm nie bieten können. «Der Chirurg arbeitet haptisch», sagt Urologe Tilmann Möltgen. Die Dreidimensionalität von solchen Modellen ist echt und naturgetreu und das kommt grundsätzlich jedem Chirurgen entgegen.

State of the Art

Ebenso lassen sich weitere Potenziale für die Patientenaufklärung ausmachen. Als Alternative zum 3D-Druck hat Dr. Ohletz eine einfache Technik entwickelt, die eine Darstellung der Organe mittels sogenannter Augmented Reality (erweiterte Realität) ermöglicht. Zur Visualisierung benötigt der Anwender lediglich ein Smartphone ohne zusätzliche App. Somit ist eine unkomplizierte und realitätsnahe Darstellung für die Chirurgen, Zuweisenden sowie Patientinnen und Patienten möglich (vgl. dazu Info-Box unten).

3D in Augmented Reality

Erweiterte Realität. Das Erzeugen von 3D-Modellen von individuellen Organen, Organ- oder Körperstrukturen bietet unzählige Anwendungsmöglichkeiten. Sie können auch auf dem eigenen Smartphone angeschaut werden. Machen Sie sich selbst ein Bild: Scannen Sie mit Ihrem Smartphone oder Tablet untenstehenden QR-Code! AR-Button antippen, Anweisungen auf Ihrem Gerät befolgen (Gerät bewegen usw.). Vergrössern oder verkleinern Sie durch Fingerzoom das erscheinende Objekt (Niere) vor realem Hintergrund und testen Sie die 360°-Grad-Sichtbarkeit des Objekts. Viel Spass!

  QR Code mit dem Smartphone scannen oder via Link öffnen.

Anwendungsideen willkommen

Das Arbeiten mit und die klinische Anwendung von 3D-Modellen birgt sehr grosses Potenzial. «Wir befinden uns noch in der Experimentierphase», sagt Dr. Javier Anon, «deswegen sprechen wir auch vom 3D-Labor.» Aber die Entwicklungsmöglichkeiten seien sehr gross. Die Tür des 3D-Labors steht sämtlichen KSA-Kliniken offen. Das Team vom 3D-Labor freut sich über neue Ideen für Anwendungsmöglichkeiten aus allen Bereichen.

Urologe Tilmann Möltgen zum Mehrwert von 3D-Modellen für den Chirurgen

«Moderne Medizin mit all ihren technischen Möglichkeiten führt heute bei vielen Krankheiten zu früherer Diagnose. In der Urologie profitieren die Patienten von dieser Früherkennung vor allem beim Prostatakarzinom und Nierenzellkarzinom. Frühere Diagnostik ermöglicht schonenderes Operieren und eine entsprechend bessere postoperative Funktion. Beim Prostatakarzinom können wir durch das 3D-Modell / die Animation aus dem 3D-Labor intraoperativ besser die Lagebeziehung des Tumors zu Nerven und dem Schliessmuskel sehen, diese Strukturen deshalb besser schonen und dadurch die postoperative Potenz und Kontinenz verbessern. Beim Nierenkarzinom kann generell nur durch eine Entfernung des Tumors eine Heilung erreicht werden, es gibt keine Heilung durch Chemo- oder Strahlentherapie. Wenn solche Tumoren in einem frühem Stadium erkannt werden, kann in minimalinvasiver Operation nur der Tumor entfernt werden, der Rest der Niere wird belassen. Hier zeigt uns der 3D-Druck die tumorversorgenden Blutgefässe, damit wir diese selektiv unterbinden können.

Neurochirurg Serge Marbacher zum Projekt 3D-Modelle

«Die Ruptur (der Riss) eines intrakraniellen Aneurysmas (Hirnaneurysmas) kann entweder durch mikrochirurgisches Clipping oder durch einen endovaskulären Verschluss des Aneurysmas verhindert werden. Die chirurgische Behandlung ist oft herausfordernd trotz der innovativen Möglichkeiten der intraoperativen Beurteilung der korrekten Clip-Anwendung. Kürzlich wurde gezeigt, dass solide 3D-Aneurysma-Modelle die präoperative Bildgebung ergänzen und dadurch das anatomische Verständnis erleichtern und die Ergebnisse des Aneurysma-Verschlusses bei Patienten verbessern. Mit unserem 3D-Drucker besteht seit Kurzem auch die Möglichkeit, hohle, semi-elastische (silikon-basierte) 3D-Modelle von Aneurysmen und ihren Träger- und Perforatorarterien herzustellen. Diese Modelle erlauben eine präoperative Simulation der temporären und definitiven Clip-Setzung innerhalb der knöchernen Einschränkungen des Operationskorridors. Wir wollen jetzt den Nutzen der Planung von chirurgischen Eingriffen im Vorfeld evaluieren, um Verletzungen kleiner Gefässe zu vermeiden und um die optimalen Gefässclips bereits präoperativ auszuwählen. Das ultimative Ziel ist die Verbesserung des chirurgischen Resultats und der Sicherheit während dieser anspruchsvollen Hirnaneurysma-Operation.»

Autor*in

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Redaktor/Stv. Mediensprecher

Nach langjähriger Tätigkeit als Lehrer, Korrektor, Redaktor und Verlagsleiter ist Ralph Schröder seit 2011 ein engagierter und bedachter Texter für das KSA, der es jederzeit versteht, dem geschriebenen Wort Verständnis und Sinn einzuimpfen.