Von Anatomiemodellen bis zu chirurgischen Schablonen: die Vorzüge des 3D-Drucks in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Der Einsatz der additiven Fertigung im Gesundheitswesen nimmt stetig zu. Immer mehr Fachkräfte aus Medizin und Chirurgie finden neue Möglichkeiten, diese Prozesse in ihren Fachbereichen zu integrieren. 

Am Universitätsspital Basel wandte sich der MKG-Chirurg (Mund-, Kiefer- und Gesicht) Dr. Florian Thieringer bei seinen Operationen den Vorzügen der 3D-Drucktechnologie zu. 

Als Leiter der Medical Additive Manufacturing Research Group (Swiss MAM) und Mitbegründer des 3D-Drucklabors auf dem Spitalsgelände arbeitet Florian Thieringer mit seinem Team leidenschaftlich daran, den Zugang zu innovativen medizinischen Lösungen zu verbessern, mithilfe von 3D-Druck und virtueller Operationsplanung. So versorgt das Team die Einrichtungen, bildet die Studenten aus und veröffentlicht die Ergebnisse seiner Forschung.
In einem unserer jüngsten Webinare zeigte Dr. Thieringer, welche Fortschritte die virtuelle Operationsplanung und der medizinische 3D-Druck in den letzten zehn Jahren gemacht haben. Er erklärte einen typischen digitalen Arbeitsablauf und berichtete von realen Alltagsbeispielen, bei denen er den 3D-Druck einsetzt, von Modellen bis zu Implantatsschablonen.

Die Geschichte des 3D-Drucks bei medizinischen Operationen beginnt bereits vor langer Zeit mit der Einführung der Computertomografie, dank derer dreidimensionale Digitalmodelle von Gewebe und Organen erstellt werden konnten. Für diese Scandaten musste eine Lösung gefunden werden, mit der die Mediziner*innen nicht nur das Leiden diagnostizieren und die Behandlung planen, sondern auch die Röntgendaten im Operationssaal verwenden konnten.

Mit fortschreitender Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie wurde diese schnell zur ersten Wahl bei der Produktion individueller Anatomiemodelle. Zu Beginn wurden Anatomiemodelle auf Basis digitaler Scans mittels subtraktiver Fertigung hergestellt, z. B. aus Schaumstoffblöcken gefräst. Diese Modelle hatten eine ganze Reihe von Nachteilen, angefangen bei der Gestaltungsfreiheit über die Präzision bis hin zu Kosten und Zeitaufwand. 

Dank SLA-3D-Druck (Stereolithographie) fertigt klinisches Ingenieurpersonal Anatomiemodelle selbst für komplexe Behandlungen schon in kurzer Zeit. Im Laufe der letzten 20 Jahre haben sich 3D-Drucker immens weiterentwickelt und sind in verschiedenen Bereichen der Medizin zu wichtigen Werkzeugen geworden, allen voran in der Zahnmedizin, der Orthopädie und bei MKG-Eingriffen. Vor 20 Jahren musste so ein Modell extern in Auftrag gegeben werden, kostete vierstellige Beträge und benötigte Wochen, um zur eigentlichen Behandlung zur Verfügung zu stehen. Heute haben immer mehr innovative Krankenhäuser ihre eigene Druckeinrichtung, so auch das Universitätsspital im schweizerischen Basel. Mit dieser Ausrüstung lässt sich selbst ein großes Schädelmodell für unter 100 € drucken, und das noch am selben Tag.

Da Formlabs die Mission teilt, 3D-Druck zugänglicher zu machen, sind wir ein Vorreiter in Sachen Prozess- und Materialentwicklung. Dazu zählt auch die Entwicklung neuer Materialien speziell mit mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität für medizinische Anwendungen, wie z. B. für Dr. Thieringers Arbeit. 

Durch den Druck eines Modells der Patientenanatomie vor der OP kann Dr. Thieringer einen spezifischen Plan für den Eingriff erstellen, ebenso wie Bohr- und Schnittschablonen, die exakt auf die Patient*innen zugeschnitten sind, und sogar vorgeformte Implantate. Eine weitere lohnende chirurgische Anwendung bilden 3D-gedruckte Instrumente, die eigens für die Abläufe im Operationssaal entworfen werden. Für solche Zwecke lassen sich gewisse Druckmaterialien auch sterilisieren.

Im MKG-Bereich verwendet man hauptsächlich additive Fertigungsprozesse für die wiederherstellende Chirurgie, die orthognathe Chirurgie und bei Zahnimplantaten.

Im Allgemeinen beginnt der Arbeitsprozess mit einem CT-Scan seitens der Radiologie. Dann folgt eine Segmentierung durch klinische Ingenieurkräfte. Dieser zweite Schritt gibt dem Chirurgiepersonal eine dreidimensionale Darstellung der Anatomiedaten aus dem CT-Scan. Obendrein lassen sich die Daten mit den Informationen eines Hautscans zusammenführen oder mit einem Intraoralscan, je nach bevorstehender Operation. Dieses Digitalmodell lässt sich dann entweder für digitale Operationen als Vorbereitung des tatsächlichen Eingriffs nutzen oder in 3D drucken, um patientenspezifische Implantate zu planen und chirurgische Schablonen zu erstellen.

„Hier sehen wir ein Beispiel einer Patientin mit einer Orbitabodenfraktur. Aufgrund der Fraktur kann die Patientin ihr Auge nicht mehr korrekt bewegen, was zu Diplopie (Doppeltsehen) führt“, erklärt Dr. Thieringer.

Eine Orbitabodenfraktur wird zumeist behandelt, indem ein Titanimplantat an der Innenseite der Orbita angebracht wird, um den beschädigten Knochen zu ersetzen oder zusammenzuhalten.

„Ein perfekt passendes Titanimplantat findet man selten. Intern arbeiten wir noch am Druck von PEEK- und Titanimplantaten. Deshalb ist der Druck eines Anatomiemodells der Orbita der Patientin mit einem SLA-3D-Drucker eine schnelle und einfache Lösung. Mithilfe dieses 3D-Druckteils kann ich als Chirurg ein Standardimplantat aus Titanium vorab biegen und in Form bringen, um den Defekt der Orbita zu beheben“, erläutert Florian Thieringer.

Diese 3D-gedruckten Formhilfen benötigen bei der Herstellung in einem betriebsinternen Drucklabor nur wenige Stunden und lassen sich für fast jeden Bruch einsetzen.

Die Geschwindigkeit der betriebsinternen Produktion 3D-gedruckter Vorlagen eröffnet sogar Anwendungen in der Unfallchirurgie.

Die Daten der Swiss MAM unter der Leitung von Dr. Thieringer belegen eine deutliche Zeitersparnis bei Operationen, die vom 3D-Drucklabor unterstützt werden. Durch die Verwendung patientenspezifischer Implantate, die vor der OP mithilfe von 3D-Druck entworfen wurden, lies sich die Operationszeit um mehr als 35 Minuten verringern. Abhängig von der jeweiligen Prozedur bedeutet dies Einsparungen von mehreren Tausendern, wenn man die Kosten pro Operationsminute aufrechnet. 

Rückblickend auf unser obiges Beispiel mit dem Orbitaboden spiegelt sich dies bei einem Minutenpreis von 21 € bis 131 € in einer Kostensenkung von ca. 1466 € bis 3665 € wider.

Quelle: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1076633219304180

Ein weiterer wichtiger Bereich der MKG-Chirurgie, bei dem das Universitätsspital großflächig digitale Arbeitsabläufe eingeführt hat, ist die orthognathe Chirurgie. Auch hier beginnt der Prozess wieder mit einem CT-Scan, der die digitalen Daten bereitstellt. Zusätzlich wird noch ein Intraoralscan mit der Kieferanatomie der Patient*innen kombiniert. 

„Dank der digitalen Daten kennen wir die genaue Position des Ober- und Unterkiefers schon vor der Operation. So können wir außerdem 3D-gedruckte Schienen für die postoperative Behandlung anfertigen“, verrät Dr. Thieringer.

„Wir nutzen 3D-Druck nicht nur für Behandlungen und Operationen, sondern auch für die Ausbildung. Beispielsweise erstellen wir Modelle, an denen die Studierenden operieren. Mithilfe von 3D-Druck können wir so gut wie jede Pathologie simulieren“, führt Florian Thieringer an. 

Damit das ärztliche und chirurgische Personal der Zukunft diese Art der Ausbildung erhält, wurde das interdisziplinäre 3D-Drucklabor des Universitätsspitals Basel ins Leben gerufen. Gegründet wurde es in Zusammenarbeit mit der Radiologieabteilung und weiteren MKG-Chirurgen im Jahr 2015/16.

Studierende, Ärzteschaft und Ingenieurkräfte untersuchen mithilfe von 3D-Druck Themen wie intelligente Implantate, innovative Medizinprodukttechnologien oder minimalinvasive Chirurgietechniken – und das alles mit direktem Bezug auf die realen Fälle der Chirurgie.

Eine Zusammenfassung der Vorteile des 3D-Drucks in der MKG-Chirurgie nach den Aussagen Dr. Florian Thieringers:

• Präoperative Vorbereitung ermöglicht bessere Präzision während der Operation

• Deutliche Zeit- und Kostenersparnis

• Weniger invasive Prozeduren

• Patientenspezifische Behandlungen

• Verbesserte Patientensicherheit, Verkürzung des Krankenhausaufenthalts

• Weniger Komplikationen

• Greifbare Bildung und Ausbildung

Schauen Sie unser Webinar mit Dr. Thieringer. Dort erhalten Sie weitere Einblicke in den digitalen Arbeitsablauf und die klinischen Fälle. Lernen Sie unsere BioMed-Kunstharze für medizinische Anwendungen kennen oder sprechen Sie mit unserem Expertenteam, wie Sie 3D-Druck in Ihrem Arbeitsumfeld einführen.