Anna Fischer, Marta Sambaer September 1, 2018

Bei mehrfarbigen 3D-gedruckten Anatomiemodellen lassen sich Gewebestrukturen im Vergleich zu einfarbig gedruckten Modellen leichter unterscheiden. Während der Einsatz von 3D-Druck in der Medizin wächst, da Krankenhäuser zunehmend auf 3D-Desktop-Drucker zugreifen können, setzt ein 3D-Farbdrucker nach wie vor eine erhebliche Investition voraus. Aus diesem Grund hat Materialise ein internes Forschungsprojekt gestartet, in dessen Rahmen die Kombination aus der 3D-Planungssoftware  Materialise Mimics inPrint und einem Formlabs SLA 3D-Drucker auf Harzbasis als eine kostengünstigere Alternative untersucht wurde. Herr Shehryar Khan, Application Engineer im Materialise DLP Competence Center (Malaysia), erklärt uns das Projekt.

Mr. Shehryar Khan arbeitet seit fünf Jahren intensiv mit 3D-Drucktechnologien und verfügt über viel Erfahrung in den Bereichen Forschung, Entwicklung und der Vorbereitung neuer Anwendungen für den 3D-Druck in der Medizin.

Das Materialise DLP Competence Center in Malaysia konzentriert sich auf die Lichtverarbeitungs-Technologie (DLP) für den 3D-Druck. Die Mitarbeiter des Centers suchen nach neuen Anwendungsbereichen für die DLP-Technologie und passen hierbei die Software von Materialise so an, dass eine maximale Nutzung erzielt werden kann. Das Materialise DLP Competence Center beschäftigt hochspezialisierte Ingenieure und verfügt über ein hochmodernes Forschungslabor.

Bildbasierte Medizin-Software in Kombination mit 3D-Druck haben die Medizin revolutioniert. Gesundheitsexperten auf der ganzen Welt können nun beispielsweise 3D-gedruckte Modelle von der individuellen Anatomie eines Patienten erstellen. Wir fragen Herrn Khan: Welchen Mehrwert haben mehrfarbige Modelle?

“Ein tiefgehendes Verständnis der pathologischen Anatomie ist die Voraussetzung für die Behandlungsplanung. Schließlich soll das bestmögliche Ergebnis für den Patienten erzielt werden. Einfarbige Drucke sind hilfreich, wenn man lediglich eine Art von Gewebe visualisieren möchte, z. B. bei komplexen Traumafrakturen, einer MKG-Rekonstruktion oder der Visualisierung einer Herzerkrankung. Im Gegensatz dazu sind mehrfarbige Modelle besonders dann gefragt, wenn zwischen verschiedenen Gewebestrukturen unterschieden werden muss, z. B. bei einem Tumor und dem umliegenden Organgewebe oder Venen und Nerven innerhalb eines Organs.”

Aber die meisten Desktop-3D-Drucker in Krankenhäusern ermöglichen nur den einfarbigen Druck.

“Richtig. Die einzige verfügbare 3D-Drucktechnologie, die mehrfarbigen Druck ermöglicht, ist Multi Jet Printing und Binder-Jetting. Wir stellen fest, dass immer mehr Krankenhäuser Geld in die Hand nehmen, um den 3D-Druck in ihre Arbeitsabläufe zu integrieren. Dies wird insbesondere deutlich, nachdem dieses Jahr mit der FDA-Zulassung ein bedeutender Meilenstein erreicht werden konnte: Die FDA hat die Software Materialise Mimics inPrint in Kombination mit einem Desktop-3D-Drucker zugelassen, um patientenspezifische Anatomiemodelle zu drucken oder Diagnosen zu stellen. Doch die Implementierung eines industriellen 3D-Druckers, der Farbdruck ermöglicht, erfordert erhebliche Investitionen seitens des Krankenhauses, nicht nur finanziell, sondern auch in räumliche Gegebenheiten, Fachpersonal usw. Daher wollten wir herausfinden, ob sich ein mehrfarbiges, 3D-gedrucktes Anatomiemodell mit einem Desktop-3D-Drucker (Formlabs SLA) und der Materialise Mimics inPrint Software erstellen lässt.”

Multicolored 3D Printed Anatomical Model of Renal Tumor, SLA

Mehrfarbiges, 3D-gedrucktes Anatomiemodell eines Nierentumors, SLA 

3D Printed Anatomical Model of Mandible SLA Multicolored

Mehrfarbiges, 3D-gedrucktes Anatomiemodell eines Unterkiefers, SLA 

Wie kann mithilfe von Medizin-Software und einem Desktop-3D-Drucker ein mehrfarbiges Modell erstellt werden?

“Mit Hohlräumen und Farbe. Dies sind die wichtigsten Komponenten. Es geht darum, den Bereich von Interesse auszuhöhlen und Acrylfarbe und eine Grundierung einzuspritzen, ehe die Nachbearbeitungsmethoden zum Einsatz kommen. Zuerst verwenden Sie Materialise Mimics inPrint, um die Bilddaten in dem Bereich von Interesse zu segmentieren. Danach setzen Sie die Aushöhlfunktion ein, um einen inneren Bereich zu schaffen, ohne die externe Geometrie zu ändern. Dort können Sie später auch Farbe einspritzen. Mit der Wandstärkenanalyse verifizieren Sie, dass die Aushöhlung korrekt vorgenommen wurde und korrigieren gegebenenfalls Fehler.”
 

Gibt es Besonderheiten, auf die geachtet werden muss, wenn der Bereich von Interesse mithilfe von bildbasierter Medizin-Software ausgehöhlt wird?

“Ja. Es ist wichtig, dass der ausgehöhlte Teil perforiert wird, um Löcher zur Drainage und Belüftung zu schaffen: Diese Löcher sind immens wichtig, da nur so das Harz abfließen und die Luft entweichen kann. Mit anderen Worten: So vermeiden Sie Blasen im Design. Zusätzlich werden die Löcher auch zum Einspritzen der Farbe genutzt. Hierzu können Sie das „Cut Tool“ in Mimics inPrint oder das „Perforator Tool“ in Magics verwenden.


Wie würden Sie vorgehen, wenn Sie Löcher zur Drainage und Belüftung erstellen?

“Die Drainagelöcher sollten einen Durchmesser von 2 bis 3 mm haben, Löcher zur Belüftung 1 bis 3 mm. Drainagelöcher sollten in Bereichen erstellt werden, in denen sich möglicherweise Harz sammelt, und in Richtung des Harzbehälters orientiert sein. Zusätzlich empfehlen wir die Erstellung von Löchern zur Drainage oder Belüftung in der Nähe der Bauplattform. Sie können die finale Orientierung des Modells mithilfe der Formlabs PreForm-Software optimieren.”

Multicolored 3D Printed Anatomical Model - Abdominal Aortic Aneurysm, SLA

Mehrfarbiges 3D-gedrucktes Anatomiemodell – Bauchaortenaneurysma, SLA

Multicolored 3D Printed Anatomical Model - Kidney, SLA

Mehrfarbiges, 3D-gedrucktes Anatomiemodell – Niere, SLA 

Desktop-3D-Drucker arbeiten mit Harz. Welches Harz empfehlen Sie, um ein mehrfarbiges Modell zu erstellen?

“Um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen, empfehlen wir transparentes Harz für den 3D-Druck zu verwenden. Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, muss sichergestellt werden, dass sich kein überschüssiges Harz in kleinen Kammern oder Hohlräumen befindet. Druckluftspray ist hier sehr hilfreich! Nachdem die Innenräume gereinigt sind, werden im nächsten Schritt die Stützstrukturen entfernt, die Oberfläche geglättet und das Bauteil getrocknet.”

Nun haben wir ein transparentes 3D-gedrucktes Modell. Aber wie kommt jetzt die Farbe ins Spiel?

“Sie können das 3D-gedruckte Anatomiemodell einfärben, indem Sie Farbe durch die Drainagelöcher in die Abschnitte einspritzen. Dafür erstellen Sie eine gleichmäßige Mischung aus Wasser, Acrylfarbe und Grundierung. Dies ist essenziell, um eine perfekte Haftung der Farbe sicherzustellen. Das Verhältnis von Farbe, Grundierung und Wasser sollte an die Werkzeuge angepasst werden, die Sie zum Aufbringen der Farbe verwenden möchten. Das empfohlene Verhältnis Farbe-Grundierung-Wasser lautet 1:1:1 oder 1:1:2 für die Einspritzung mit der Spritzebzw. 2:2:1 für die Einspritzung mit der Pipette. Sobald das Modell trocken ist, erfolgt die Endbearbeitung des gefärbten Bauteils durch Schleifen, Lackieren und UV-Härten.”

Farbige, 3D-gedruckte Modelle mit Medizin-Software und einem Desktop-3D-Drucker zu erstellen, scheint eine kostengünstige Alternative zu den kostspieligen industriellen Optionen zu sein.

“Mit dem Arbeitsablauf, den ich eben beschrieben habe, können krankenhausinterne 3D-Drucklabore farbige, 3D-gedruckte Anatomiemodelle für Forschungs-, Kommunikations- und Schulungszwecke erstellen. Dabei fallen relativ wenig Kosten an, allerdings ist eine manuelle Nachbearbeitung erforderlich. Sobald es jedoch an das Design der feineren Anatomie geht, stößt dieser Ablauf in einigen Bereichen an seine Grenzen. Ein Beispiel: Für Hohlräume ist eine Wandstärke von 1 mm erforderlich, Bauteile, die kleiner als 2 mm sind, können daher nicht ausgehöhlt werden. In der Praxis zeigt sich, dass der Innendurchmesser des ausgehöhlten Bereichs größer sein muss als 1 mm, damit der Hohlraum überhaupt gedruckt werden kann. Aus diesem Grund können kleine Teile nicht ausgehöhlt und 3D-gedruckt werden. Noch dazu sind kleinere Hohlräume anfälliger für Luftblasen.”

Transparent 3D Printed Anatomical Model - Heart, SLA

3D-gedrucktes Anatomiemodell – Herz, SLA

Multicolored 3D Printed Model - Heart, SLA

Mehrfarbiges, 3D-gedrucktes Anatomiemodell – Herz, SLA

 

Sheryar Khan ist leitender Ingenieur im DLP Competence Center (Malaysia), wo das oben beschriebene Forschungsprojekt durchgeführt wurde, um neue Anwendungsbereiche für die DLP-Technologie zu finden, während gleichzeitig die Nutzung der Materialise-Software optimiert werden soll. Das Forschungsteam von Materialise wendete diesen Arbeitsablauf bei verschiedenen 3D-gedruckten Modellen an. In einigen Fällen wurde statt Farbe ein anderes Oberflächenmuster verwendet, um zwischen den Gewebestrukturen zu unterscheiden. Alle 3D-gedruckten Modelle zeigten sowohl Vor- als auch Nachteile, eine Tatsache ist jedoch unumstritten: Um akkurate patientenspezifische anatomische Modell mit einer kurzen Vorlaufzeit zu erstellen, benötigt man eine spezielle Software in Kombination mit einem leistungsstarken Segmentierungswerkzeug und einem benutzerfreundlichen Workflow.

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