Lesedauer: 7 minuten

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

Ralph Schröder, 13.08.2020
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 nach ersten Befunden sich 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 Nervenoder Blutgefässe realitätsgetreu zu sehen und von allen Seiten 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 am 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 sich im Aufbau befindenden 3D-Labor im Institut für Radiologie. Das KSA gehört zu den wenigen Schweizer Spitälern, die erste Gehversuche mit dieser innovativen Methode unternehmen 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 -struktuen haben neu auch 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 3DModelle für die Operationsplanung. Über die entsprechende Expertise zur Herstellung von 3D-Modellen im 3D-Labor, die laufend weiterent wickelt wird,
verfügt aktuell ein Team im Institut für Radiologie, bestehend aus Dr. Tim Ohletz, Oberarzt Radiologie, Dr. Javier Anon, Leitender Arzt Neuroradiologie, und Dr. Michael Hürzeler, Oberarzt i. V. Radiologie. Das 3D-Labor befindet sich aktuell in einem Raum des Instituts für Radiologie.

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 des Radiologen resp. Neuroradiologen sowie der behandelnden 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 Radiologen und der beteiligten Ärztinnen und Ärzte 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 unterschied liche 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 3DAufnahmen 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 kürzlich eine 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, Zuweiser und Patienten möglich (vgl. dazu Info-Box unten).

KSA Absender icon3D 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 unten stehenden 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 steckt am KSA noch in den Kinderschuhen, birgt aber sehr grosses Potenzial. «Wir befinden uns noch in der Experimentierphase», sagt Dr. Javier Anon, «deswegen sprechen wir auch vom 3D-Labor.» Aber die Entwicklungsmöglicheiten seien sehr gross. Die Tür des 3DLabors 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/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 Strahlen therapie. Wenn solche Tumoren in 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 ver meiden 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

Profile picture for user rschroeder
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.