Nele Motmans Februar 9, 2021

CORPORATE

30 Jahre Materialise:
Der Weg zur kundenindividuellen Massenfertigung

3D-Planung für präzise, personalisierte und vorausschauende Erkenntnisse

In der weiten Welt der medizinischen Bildgebung haben wir uns von Röntgenbildern zu den heutigen 3D-gedruckten Modellen entwickelt. Dank dieser Technologie können Mediziner die gesamte Anatomie ihrer Patienten mit Hilfe von 3D-Planung visualisieren. Dank dieser 3D-Planung kann der Arzt entscheidende Daten gewinnen, die für einen Patienten, der einen Herzklappenersatz benötigt, den Ausschlag geben können. Mit den Daten könnte für den Patienten möglicherweise ein Eingriff in Frage kommen, der seine Lebensqualität verbessern würde. Das ist nur eine der möglichen Lösungen, wie personalisierte Medizin zu besser vorhersehbaren Ergebnissen führt.

In diesem Jahr feiern wir bei Materialise unser 30-jähriges Bestehen und werfen mit einer Reihe von Blogbeiträgen einen Blick zurück auf die wichtigsten Innovationen in der Firmengeschichte. In diesem Beitrag betrachten wir einige unserer medizinischen Innovationen, die als eindrucksvolle Beispiele für unseren Einsatz für eine bessere und gesündere Welt stehen.

Vom revolutionären Röntgengerät zur 3D-Modellierung

Fangen wir ganz am Anfang an: Röntgenstrahlen wurden bei ihrer Entdeckung im Jahr 1895 als medizinisches Wunder gefeiert – Ärzte konnten nun ganz ohne Operation das Innere des Körpers sehen. Es dauerte nicht lange, bis das Röntgenbild zu einem wichtigen diagnostischen Werkzeug wurde. Radiologen und Chirurgen konnten sich die Bilder eines Patienten ansehen. Sie konnten die Bilder in eine klare Diagnose und einen Behandlungsplan umsetzen.

Röntgenstrahlen waren die Grundlage der medizinischen Bildgebung. 1972 wurde daraus die Computertomographie (CT) entwickelt, das erste bildgebende Verfahren, mit dem 3D-Bilder eines Patienten aufgenommen werden konnten. Beide Verfahren werden auch heute noch verwendet, aber CT-Scans sind meist die Grundlage für die 3D-Modellierung und ermöglichen es uns, 3D-Applikationen zu erstellen.

Pieter Slagmolen, Medical Innovation Manager bei Materialise, erklärt, wie sich diese Entwicklung in der Bildgebung auf die Therapie ausgewirkt hat, indem nun eine gezielte Planung möglich ist: „Wenn man sich die Planung in der Orthopädie anschaut, dann verwendet der Chirurg traditionell ein Röntgenbild. Er kombiniert die Informationen über die Anatomie, die er von diesem Röntgenbild erhält, mit der klinischen Situation und der Krankengeschichte des Patienten und verlässt sich auf seine Ausbildung und eine Reihe von Standardregeln, die in der Literatur beschrieben sind, um die optimale Implantatposition zu bestimmen. Er versucht dann, diesen Plan so gut wie möglich am Patienten umzusetzen, indem er Standardinstrumente verwendet, um den Plan, den er im Kopf hat, zu realisieren. Dies ist zwar schnell und einfach durchgeführt, aber dieser Ansatz wird der Komplexität der Anatomie eines Patienten oft nicht gerecht. Die Nutzung der 3D-Technologie im Bereich der medizinischen Bilder hat eine breite Palette von Möglichkeiten geschaffen, um vieles besser zu machen.”

Die Wirklichkeit gestalten: Mit Medizintechnik

Aufgrund seiner Kenntnisse im Bereich der Biomechanik erkannte der Gründer von Materialise, Fried Vancraen, eine logische Verbindung zwischen den medizinischen Schnittbilddaten und der 3D-Drucktechnologie. Die Datei, die an einen 3D-Drucker geschickt wird, besteht aus einer Reihe von 2D-Schnittbildern. Medizinische 3D-Bilder wie z. B. CT-Scans werden meist ebenfalls aus einem Stapel an 2D-Bildern erstellt. Fried erkannte diese Verbindung und ging genau in der umgekehrten Reihenfolge vor – anstatt eine Datei in einzelne Teilbilder aufzuteilen, um sie für den 3D-Druck vorzubereiten, nahm er Teilbilder eines medizinischen Bildes, um ein 3D-Modell zu erstellen. Dieses Prinzip war die Grundlage der Mimics-Software, die 1992 auf den Markt kam. Heute führt sie weiterhin die digitale „Engineering on Anatomy“-Arbeit aus, die die Grundlage für 3D-Druck-Workflows auf der Basis medizinischer Bilder bildet.

Die 3D-Modelle, die anhand von Schichtbildern aus CT-Scans erstellt wurden, waren der nächste Schritt in diesem Prozess. Mit den Modellen konnte dann die exakte Nachbildung der Anatomie des Patienten erstellt werden, um die Planung vor dem Eingriff zu verbessern. In den folgenden Jahren bekamen unterschiedliche Farben für die Modelle verfügbar, um Teile der Anatomie weiter zu differenzieren. Diese Modelle halfen, unsichtbare Bereiche genauer zu sehen und erweckten die medizinische Bildgebung zum Leben. Eventuell auftretende Probleme bei den Eingriffen können so besser vorhergesagt werden. Mit dem Aufkommen leistungsfähigerer Computer waren die Ärzte schließlich in der Lage, auf die 3D-Visualisierung zuzugreifen. Dies ermöglichte den Wechsel zur virtuellen Planung.

Im Jahr 1996 konzentrierte sich Materialise auf die zahnmedizinische Versorgung und entwickelte die SimPlant Software. Damit kann der Chirurg seine Operation virtuell planen, bevor er den Patienten überhaupt gesehen hat. 3D-gedruckte individuelle Bohrschablonen dienen als Bindeglied zwischen dem virtuellen Plan und dem Patienten. Durch die Schablonen kann der Plan haargenau am Patienten umgesetzt werden.

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Heute findet viel mehr Planung auf der Basis von 3D-Bildgebung statt, bei der man 3D-Messungen durchführen kann oder eine exakte Darstellung der Anatomie in der Hand hält – alles auf der Basis von 3D-Modellen. Man setzt Technologien wie Modellierung oder Simulation ein, um mehr Informationen aus den verfügbaren Bildern zu extrahieren und eine qualitativ hochwertigere Planung und mehr Vorhersagbarkeit zu ermöglichen.
- Pieter Slagmolen, Medical Innovation Manager bei Materialise

Example of the first titanium 3D-printed skull implant on a 3D model

2006 kamen die ersten 3D-gedruckten Schädelimplantate aus Titan auf den Markt, deren komplizierte poröse Strukturen sich wie natürlicher Knochen verhalten. 

Die Wirklichkeit gestalten: Mit FDA- und CE-zertifizierten Werkzeugen

Krankenhäuser auf der ganzen Welt setzen den medizinischen 3D-Druck am Point-of-Care immer häufiger ein, um eine individuellere Versorgung vor Ort zu ermöglichen. Das bedeutet, dass sie für den 3D-Druck von Modellen eigene Geräte nutzen, die für die Planung vor dem Eingriff verwendet werden. Als Aufsichtsbehörden auf der ganzen Welt begannen Anforderungen an 3D-Software zu stellen, ergriff Materialise die Initiative, sich zertifizieren zu lassen und wurde das erste Unternehmen mit FDA- und CE-Zertifizierungen. Pieter Slagmolen fügt hinzu: „Wir wollen sicherstellen, dass wir unsere Krankenhäuser beim 3D-Druck vor Ort auf die beste, sicherste und qualitativ hochwertigste Weise unterstützen. Daher war für mich die Einführung der ersten zertifizierten Software zur Erstellung von 3D-gedruckten Modellen für den klinischen Einsatz im Krankenhaus ein Highlight der letzten Jahre.”

Mit den medizinischen Zertifizierungen konnte Materialise nachweisen, dass die Umwandlung von 3D-Modelldaten in Drucker präzise erfolgt und dass wichtige Messungen konsistent bleiben. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ärzte den gedruckten Modellen vertrauen können.

Quality check being done on a 3D-printed knee guide

Qualitätskontrolle an einer 3D-gedruckten Knieschablone. 

Die Wirklichkeit gestalten: Für Patienten im Bereich Orthopädie

Zwischen 2007 und 2008 wurden die ersten personalisierten Hüft- und Schulterimplantate für Patienten entwickelt, die bereits mehrere Revisionsoperationen hinter sich hatten. Die 3D-Planung hat sich inzwischen durchgesetzt, denn sie unterstützt Chirurgen bei der Vorbereitung von orthopädischen Eingriffen.

In einem konkreten Fall hatte sich ein 81-jähriger Mann bereits Revisionsoperationen an der Hüfte unterziehen müssen und war nicht mehr selbstständig mobil. In Zusammenarbeit mit den klinischen Ingenieuren von Materialise konnte sein orthopädischer Chirurg die Operation im Vorfeld sorgfältig planen und ein 3D-gedrucktes aMace-Hüftimplantat entwerfen, um die gewünschte mechanische Rekonstruktion und Fixierung zu erreichen, die genau auf den Defekt zugeschnitten war. Mithilfe der 3D-Planung konnte der Chirurg auch die exakten Bohrpositionen festlegen, damit das Weichgewebe des Patienten optimal heilen konnte.

Das plastische Knochenmodell und die Implantatstudie dienten vor dem Eingriff als Orientierung, um die Stelle vorzubereiten und das Implantat richtig zu positionieren. Die Tochter des Patienten berichtet, dass ihr Vater seine Selbstständigkeit nach der Operation zurückgewonnen hat und dass er sagt, dass die erfolgreiche Operation besser wäre als ein Lottogewinn!

Die Wirklichkeit gestalten: Für Herz-Kreislauf-Patienten

Die 3D-Planung hat nun Einzug in die Welt der anatomischen Strukturen des Herzens gehalten, wo sie weiterhin einen bedeutenden Einfluss auf die Auswahl des optimalen Behandlungsplans für entsprechend geeignete Patienten hat. Insbesondere die Transkatheter-Mitralklappenreparatur (TMVR) ist ein Hochrisiko-Eingriff, bei dem eine Fehlkalkulation entscheidender Messungen für den Patienten tödlich sein kann. In der Regel haben die Patienten von vornherein mehrere gesundheitliche Probleme, sodass ein zu hohes Risiko besteht, an einer normalen Operation zu sterben.

Antoon Dierckx, Medical Innovation Manager bei Materialise, verdeutlicht: „Studien zeigen, dass bis zu 50 % der symptomatischen Patienten, die an schweren Mitraldefekten leiden, nicht zu einer Operation überwiesen werden, weil das zu erwartende Operationsrisiko einfach zu hoch ist. Aber mit der fortschrittlichen 3D-Planung von Mimics Enlight können Sie Patienten effektiver screenen und mehr durchführbare Fälle berücksichtigen. Sie können Erkenntnisse darüber gewinnen, welche Implantate für den jeweiligen Patienten optimal wären und abschätzen, inwieweit das Implantat den Blutfluss durch das Herz beeinflussen wird. Das Ergebnis wird besser vorhersehbar und man kann einer größeren Anzahl von Patienten helfen, die sonst nicht viele Möglichkeiten haben.“

Mit der 3D-Planung in ihrem Werkzeugkasten können die Ärzte jetzt mehr Patienten mit fundierten Informationen behandeln. Die Entscheidungsfindung wird dadurch erheblich erleichtert.

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Es könnte eine große Synergie zwischen 3D-Planung, künstlicher Intelligenz und Augmented Reality geben. Damit sind wir in der Lage, den Arbeitsablauf in Kliniken stärker zu rationalisieren und die Vorhersagbarkeit von Patientenergebnissen noch weiter zu verbessern.
- Antoon Dierckx, Medical Innovation Manager bei Materialise

Die Zukunft gestalten

In Zukunft sehen wir weiterhin einen deutlichen Trend zu mehr medizinischen 3D-Druckanlagen am Point-of-Care in Krankenhäusern und Kliniken auf der ganzen Welt. Mit zertifizierter Software sind sie besser gerüstet, um sich vor Ort effektiv auf Fälle vorzubereiten. Wir gehen davon aus, dass sich die Leistungsfähigkeit der 3D-Planung auch auf andere Bereiche ausweiten wird, vor allem da sie bereits von der Zahnmedizin bis hin zu Hüftimplantaten große Fortschritte erzielen konnte. Nachdem wir mit der TMVR in die komplexe strukturelle Anatomie des Herzens vorgedrungen sind, sehen wir eine Fortsetzung in anderen komplexen Bereichen, wie z. B. der Unterstützung der Lungenkrebs-Chirurgie.

Außerdem sehen wir mehr Interaktionen zwischen den Technologien. Antoon  Dierckx erklärt: „Es könnte eine große Synergie zwischen 3D-Planung, künstlicher Intelligenz und Augmented Reality geben. Damit sind wir in der Lage, den Arbeitsablauf in Kliniken stärker zu rationalisieren und die Vorhersagbarkeit von Patientenergebnissen noch weiter zu verbessern.”

Schon heute können Chirurgen 3D-Pläne einsehen und die Visualisierungen im Operationssaal nutzen, denn die 3D-Planung wird bereits in die Augmented Reality (AR) integriert. Wir gehen davon aus, dass die Visualisierungen in naher Zukunft in der Lage sein werden, den Körper des Patienten zu „erkennen“ und den Chirurgen z. B. zu den exakten Bohrstellen zu führen. Man kann sogar noch einen Schritt weiter gehen und sich vorstellen, dass die 3D-Planung Chirurgen auch bei robotergestützten Operationen leitet. KI-Datensätze werden weiter wachsen, und Chirurgen werden in der Lage sein, ihre präoperativen Pläne zu personalisieren, um die besten Ergebnisse für bestimmte Arten von Patienten zu erhalten.

Vom medizinischen Wunder der Röntgenstrahlen bis zu den heutigen Möglichkeiten unterstützt die medizinische Bildgebung weiterhin Chirurgen und Kliniker dabei, die besten Entscheidungen für ihre Patienten zu treffen. Da sie mithilfe der 3D-Planung die Behandlungen für einzelne Patienten weiter personalisieren können, werden die Behandlungsergebnisse besser und vorhersehbarer. Nach 30 Jahren voller Innovationen, wird unser Engagement für eine bessere und gesündere Welt weiterhin durch unsere Anstrengungen zur Verbesserung der Vorhersagbarkeit deutlich.

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