Literaturüberblick zum 3D-Druck in der Medizin: Lehre und Ausbildung

Dieser Beitrag gibt eine Übersicht über sieben publizierte medizinische Forschungsstudien, die den Einfluss des 3D-Drucks in medizinischen Anwendungen analysieren. Wir setzen hierbei Forschungsberichte in den Fokus, die sich auf den Effekt des 3D-Drucks in der medizinischen Ausbildung und Lehre konzentrieren.

Wir unterhalten eine Datenbank Hunderter durch Peer Review bewerteter Publikationen mit Bezug zu Formlabs-Technologien. Um alle Berichte in unserer Datenbank nach klinischem Fachgebiet und Anwendung sortiert durchsuchen zu können, füllen Sie das untenstehende Formular aus. Oder informieren Sie sich genauer über Formlabs Medical.

Hintergrund: Der Studie zufolge ist „Lernen unter Aufsicht mit wachsender Nähe zu den Eingriffen heutzutage die Norm. Eine auf Simulationen basierende Lehre kann jedoch die Lernkurve verkürzen und vermeiden, dass Patienten unnötigen Risiken ausgesetzt werden. Versuche, die endovaskuläre Aortenrekonstruktion zu simulieren, gab es schon 1998 unter Nutzung von Modellen aus Silikonkautschuk. In jüngsten Jahren gab es Bestrebungen, computerbasierte Simulationen zu erstellen. Solche Simulationen erfordern jedoch kostspielige Geräte, die anfällig für technische Defekte sind und regelmäßig kalibriert und gewartet werden müssen.“

Forschungsergebnisse: Durch die patientenspezifische Lehre konnte die Dauer der Fluoroskopie um 30 %, die gesamte Behandlungsdauer um 29 % und das genutzte Kontrastvolumen um 25 % verringert werden. Laut den Medizinstudierenden war diese Art der Lehre nützlich, realistisch und steigerte ihr Selbstvertrauen. Die beste Leistung hinsichtlich Qualität und Kosten des Simulators boten der 3D-Drucker Form 1+ (mit Flexible Resin) und ein Drucker eines anderen Herstellers mit einem Silikonmaterial.

Anmerkung: Seitdem diese Studie abgeschlossen wurde, hat Formlabs die Materialien Flexible 80A Resin und Elastic 50A Resin veröffentlicht, die gegenüber dem ursprünglichen Flexible Resin erhebliche Verbesserungen bieten.

Dem Bericht zufolge zeigten „die 3D-Drucker Form 1+ (mit Flexible Resin) [...] die besten Ergebnisse hinsichtlich der Qualität des Aneurysmas (Transparenz, Widerstand und Navigationsfähigkeit) und der Kosten.“

Quelle: I.O. Torres, N. De Luccia, Discipline of Vascular and Endovascular Surgery,
Department of Surgery, São Paulo University Medical School, São Paulo, Brasilien (2017). A simulator for training in endovascular aneurysm repair: The use of three dimensional printers.

Hintergrund: Ziel der Studie war, „die potenzielle Rolle 3D-gedruckter physischer und digitaler Anatomiemodelle bei der präoperativen Planung, der Übung und der Lehre von endovaskulären Arterieninterventionen der unteren Gliedmaßen zu untersuchen.“

Forschungsergebnisse: Dem Bericht zufolge waren „die Messungen, die manuell von 3D-Modellen gewonnen wurden, und die Segmentierungsbilder aus der Software einander ähnlich (p > 0,05). Beide waren kleiner als die tatsächliche Größe der verwendeten Ballons (p < 0,001). Der Schweregrad der Stenose fiel bei der manuellen und der Software-Methode ähnlich aus und beide waren bedeutend niedriger als die gemeldeten quantitativen angiographischen Messungen (p < 0,001). Die Seitenpräferenz für den vaskulären Zugang wurde bei fünf Patienten (31,2 %) geändert, als das Modell durch eine nicht sterile Praxis auf 3D-gedruckten physischen Modellen simuliert wurde. Die Wahl des Drahtes und Katheters unterschied sich bei acht Patienten, als an Modellen geübt wurde.

Die Planung und Einübung von Eingriffen an den Arterien der unteren Gliedmaßen mit 3D-Modellen kann personenabhängige Variablen vermindern, unnötige Interventionen vermeiden, Endothelschäden verringern und die Erfolgsrate des Eingriffs erhöhen. 3D-gedruckte Modelle können für Ausbildungszwecke medizinischer Fachkräfte verwendet werden.“

Quelle: Göçer, H., Durukan, A. B., Tunç, O., Naser, E., Gürbüz, H. A., & Ertuğrul, E. (2021). Evaluation of 3D printing in planning, practicing, and training for endovascular lower extremity arterial interventions. Turk gogus kalp damar cerrahisi dergisi, 29(1), 20–26. https://doi.org/10.5606/tgkdc.dergisi.2021.20478

Hintergrund: Dem Bericht zufolge war es der Zweck der Studie, „die Tauglichkeit und Effektivität des Einsatzes dreidimensional (3D) gedruckter Modelle in Pathologiekursen zu ermitteln. Medizinstudenten im ersten Studienjahr ohne vorherige Schulung zu Knochentumoren wurde in zwei Gruppen eingeteilt: eine Kontrollgruppe mit 2D-Abbildungen und eine experimentelle Gruppe mit 3D-Modellen.“

Forschungsergebnisse: Laut Bericht „zeigen die Daten, dass bei beiden Gruppen zwar nach der Schulung eine Steigerung der Leistung und des Selbstvertrauens auftrat, doch die Gruppe, die an 3D-Modellen arbeitete, hatte eine vorteilhaftere Erfahrung als die Gruppe mit den 2D-Abbildungen. Die Studie demonstriert, dass sich 3D-gedruckte Modelle in die Lehre der Pathologie einbinden lassen und die Lernergebnisse positiv beeinflussen können.“

Quelle: Youman, S., Dang, E., Jones, M. et al. The Use of 3D Printers in Medical Education with a Focus on Bone Pathology. Med.Sci.Educ. 31, 581–588 (2021). https://doi.org/10.1007/s40670-021-01222-0

Hintergrund: In dieser Studie ging es darum, zu ermitteln, ob 3D-Drucker der Verbraucherklasse, bzw. Desktop-3D-Drucker, sich für die Einübung der Mastoidektomie und zur Bestimmung des Erfahrungsgrades in der Mastoidektomie eignen. Professionelle 3D-Drucker gingen für gewöhnlich mit einer erheblichen Vorabinvestition einher, die oft über 100 000 $ lag.

Diesem Bericht zufolge unterliegen „derzeitige Modelle in der Literatur zur Mastoidektomie den Beschränkungen der Kosten oder der Operierbarkeit. Ziel der Studie war erstens, die Nutzbarkeit eines kostengünstigen Modells in der Mastoidektomie zu untersuchen, und zweitens, zu beurteilen, ob sich das Modell als Evaluationshilfsmittel eignet, um den Erfahrungsgrad des Chirurgen zu ermitteln, der die Mastoidektomie durchführt.“

Hierfür nutzte das Forschungsteam einen CT-Scan eines siebenjährigen Patienten und erstellte 3D-Modelle, die nur je 10 $ kosteten. Wie im Bericht angegeben wird, „wurde die Mastoidektomie nach dem Ansatz der Gesichtsaussparung von vier Assistenzärzten im zweiten postgradualen Jahr, vier Assistenzärzten im fünften postgradualen Jahr und vier behandelnden Chirurgen an den Modellen durchgeführt, die anschließend eine Evaluation ausfüllten. Die gebohrten Modelle wurde eingesammelt und von sechs behandelnden Otolaryngologen verblindet bewertet.“

Forschungsergebnisse: Dem Bericht zufolge befanden „sowohl Assistenzärzte als auch behandelnde Ärzte das Modell für nützlich zu Übungszwecken (durchschnittliche Bewertung 4,7 von 5, Streuung 4–5) und zur Fallvorbereitung (durchschnittliche Bewertung 4,3, Streuung 3–5). Bei der Bewertung der angebohrten Modelle zeigten sich signifikante Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Assistenzärzte in unterschiedlichen Lehrjahren und der behandelnden Chirurgen (P = 0,012) mit einer mittleren bis ausgezeichneten Interrater-Übereinstimmung (ICC = 0,882).”

Quelle: Freiser ME, Ghodadra A, McCall AA, Shaffer AD, Magnetta M, Jabbour N. Operable, Low-Cost, High-Resolution, Patient-Specific 3D Printed Temporal Bones for Surgical Simulation and Evaluation. Annals of Otology, Rhinology & Laryngology. 2021;130(9):1044-1051. doi:10.1177/0003489421993733

Hintergrund: Der Definition von radiology.ca zufolge ist die Neuroradiologie eine Unterdisziplin der Radiologie, die dazu dienen kann, Zustände des Gehirns, der Wirbelsäule, des Kopfes und des Halses zu diagnostizieren und zu behandeln. Zur Unterstützung der neuroradiologischen Ausbildung berichtet diese Studie, „die Neuroradiologie ist eine komplexe Unterdisziplin der Radiologie, die eine zusätzliche Ausbildung über die radiologische Facharztausbildung hinaus erfordert. In diesem Bericht untersuchen wir den klinischen Wert des 3D-Drucks und 3D-Modellierens speziell zur Förderung der neuroradiologischen Ausbildung für Assistenzärzte der Radiologie und Ärzte in Weiterbildung.“

Forschungsergebnisse: „Zur Veranschaulichung und als Konzeptnachweise dienten 3D-gedruckte Modelle von Keilbein, Kleinhirn, Schädelbasis, Vestibularapparat und Gehörknöchelchen, Unterkiefer, Circulus arteriosus cerebri, einem Carotis-Aneurysma und der Lendenwirbelsäule, die aus einer Kombination aus transparenten, weißen und elastischen Kunstharzen gedruckt wurden. Ausgehend von dieser auf einer einzigen Einrichtung basierenden Erfahrung erscheint der 3D-Druck von neuroanatomischen Strukturen als praktikable Lösung, die zur Verbesserung der Assistenzarztausbildung und der Patientensicherheit beitragen kann. Die gleichen Schritte und Prinzipien können auch auf andere Unterdisziplinen der Radiologie angewandt werden. Auch die künstliche Intelligenz hat das Potenzial, den 3D-Druckprozess weiterzuentwickeln.“

Anmerkung: Seitdem der Bericht publiziert wurde, hat Formlabs die Materialfamilie der BioMed-Kunstharze um die Materialien BioMed Black Resin und BioMed White Resin erweitert.

Quelle: Fed Pract. 2021 Juni; 38(6):256-260 | 10.12788/fp.0134, et al. “Role of 3D Printing and Modeling to Aid in Neuroradiology Education for Medical Trainees.” Federal Practitioner, 15. Juni 2021, https://www.mdedge.com/fedprac/article/241308/neurology/role-3d-printing-and-modeling-aid-neuroradiology-education-medical.

Hintergrund: Die Weiterentwicklung der Behandlung endovaskulärer Aneurysmen führt zu einem ständigen Bedarf an geeigneten Möglichkeiten zur neurointerventionellen Schulung. Da der 3D-Druck von Umgebungen für solche Schulungen eine kostengünstige und schnelle Lösung bieten könnte, wird in diesem Bericht der Mehrwert dieser Methode zur Erstellung der Umgebung untersucht.

Laut dem Bericht wurde „mithilfe additiver Fertigung ein großes Portfolio von 30 patientenspezifischen Aneurysma-Modellen hergestellt, die aus verschiedenen Behandlungsszenarien abgeleitet sind (z.B. Coiling, Strömungsumleitung, Strömungsunterbrechung). Die Modelle wurden in einen individualisierbaren neurointerventionellen Simulator integriert, mit austauschbaren intrakraniellen und Halsgefäßsegmenten und Beschaffenheiten des physiologischen Kreislaufs (‘HANNES’; Hamburg ANatomic Neurointerventional Endovascular Simulator). Es wurden mehrere Schulungskurse durchgeführt und mithilfe von Fragebögen Rückmeldungen eingeholt.“

Forschungsergebnisse: Dem Bericht zufolge erhielt die 3D-gedruckte Schulungsumgebung hohe Bewertungen. Es wird angegeben, dass „Modelle während des Trainings dank standardisierter Verbindungen leicht ausgetauscht werden konnten, um zu einem anderen Behandlungsszenario zu wechseln oder von einem 'behandelten' wieder zu einem 'unbehandelten' Zustand zurückzukehren. Insgesamt beurteilten 23 Teilnehmende die praxisnahen Schulungen anhand einer Skala, die von 1 (stimme stark zu) bis 5 (stimme überhaupt nicht zu) reichte. Dabei wurde HANNES überwiegend als 'sehr gut geeignet für die Schulung der Embolisation von Aneurysmen mit Spulen' bewertet (1,78 ± 0,79). HANNES bietet eine bemerkenswerte Vielseitigkeit und Flexibilität beim fallspezifischen praktischen Training intrakranieller Aneurysmenbehandlungen und bietet für jede Situation gleichwertige Schulungsbedingungen. Zudem kann es die Notwendigkeit von Tierversuchen verringern.“

Quellen: Nawka MT, Spallek J, Kuhl J, et al. Evaluation of a modular in vitro neurovascular procedure simulation for intracranial aneurysm embolization Journal of NeuroInterventional Surgery 2020;12:214-219.