Digitales Rendering eines Herzens in 3D

INTERVIEW

Dank 3D-Druck am Point-of-Care bessere Patientenergebnisse im Kinderkrankenhaus Nemours (USA)

10 Min. Lesezeit

Eine bessere Zusammenarbeit der Teams im Krankenhaus, bessere chirurgische Ergebnisse und eine bessere Patientenaufklärung – das sind nur drei der Gründe, warum das Kinderkrankenhaus „Nemours Children’s Hospital“ ein eigenes 3D-Druck-Labor nutzt.

Seit 2016 hat das Krankenhaus sein Labor in Orlando, Florida (USA) so weit aufgebaut, dass heute 25 bis 30 Modelle pro Monat für alle Abteilungen des Krankenhauses gedruckt werden können, beispielsweise für die Kardiologie, die Orthopädie, die allgemeine und plastische Chirurgie, die Urologie und die Neurochirurgie. Darüber hinaus ist das für den 3D-Druck zuständige Team in der Lage, Remote-Support für das Schwesterkrankenhaus in Delaware sowie für Kliniken in Jacksonville und Pensacola anzubieten.

Medizinisches Team im Nemours Children’s Hospital
Quelle: Nemours Children’s Hospital

In diesem Blogbeitrag geben die Teammitglieder des 3D-Druck-Labors, Dr. Tushar Chandra, Pushpak Patel und Dr. Craig Johnson, einen Einblick in ihren Alltag im Nemours-Krankenhaus und stellen die künftig geplanten Entwicklungen vor. Im ersten Teil wird das Einrichten des Labors einschließlich der verwendeten Software und Hardware detailliert beschrieben. Der zweite Teil legt den Schwerpunkt auf die Vorteile für die Klinik und die Patienten.

Was veranlasste die Klinik, ein eigenes 3D-Druck-Labor einzurichten?

Folgende drei Elemente waren entscheidend für die Entwicklung eines eigenen 3D-Druck-Labors. Es begann bei den Ärzten, die in Gesprächen mit der Ärztlichen Direktion darauf hinwiesen, dass sie sehr gerne 3D-Drucktechniken einsetzen würden, um die Ausrichtung der Anatomie und Strukturen zu sehen, an denen sie anschließend operieren. Das war ein erster Anstoß, um mit der Finanzierung des Projekts zu beginnen.

Ferner erkannten sie den informativen Nutzen für ihre Patienten und wussten, dass sich dadurch die Kommunikation und das Verständnis deutlich verbessern würden. 

Bevor die 3D-gedruckten Modelle zur Verfügung standen, wurden kommerziell hergestellte Modelle anatomischer Bereiche verwendet, um die Krankheitsprozesse und die Risiken bestimmter Verfahren zu erklären. Manchmal hatten wir es jedoch mit seltenen Krankheiten zu tun, für die keine kommerziellen Modelle verfügbar sind. Sie wussten, dass die Modelle auch bei anderen seltenen Sonderfällen einen immensen Nutzen für die Entscheidungsfindung bieten würden, die sowohl Klinikmitarbeiter als auch Familien treffen müssen.

Drittens hatten sie die Vision einer personalisierten Medizin bis hin zur Simulation, damit auch bei komplexen Patientenfällen deren komplexe Anatomie und Besonderheiten vor dem ersten Eingriff dargestellt werden kann. Die Anatomie in 2D auf einem CT oder MRT zu sehen, ist bereits ein großer Fortschritt. Diejenigen, die allerdings später in 3D operieren müssen, erhalten mit 3D-Modellen eine optimale Vorbereitung, was zu besseren Ergebnissen, weniger Komplikationen, geringerem Zeiteinsatz und niedrigeren Kosten führt.

Ein 3D-gedrucktes Modell des menschlichen Brustkorbs und Gefäßsystems
Quelle: Nemours Children’s Hospital

Warum ist die Radiologie so gut geeignet, um den 3D-Druck zu unterstützen?

Wir glauben, dass die Radiologe die am besten geeignete Abteilung ist, um ein 3D-Druck-Labor zu unterstützen. Dies liegt in erster Linie daran, dass die Radiologie ein integraler und zentraler Bestandteil jedes Diagnoseplans bei Krankenhäusern und Gesundheitssystemen weltweit ist. Bildgebende Untersuchungen und Auswertungen werden von der radiologischen Abteilung erstellt und interpretiert. Außerdem sind Radiologen und Radiologiemitarbeiter speziell dafür ausgebildet, optimale Bilder zu erzeugen, um relevante klinische Fragen zu beantworten. Diese Fragen sind bei komplexen Entscheidungen seitens der Klinikmitarbeiter und Chirurgen von weitreichender Bedeutung.

Wie ist das Team aufgebaut?

Unser Team besteht aus dem Programmleiter, Dr. Craig Johnson, und dem stellvertretenden Direktor, Dr. Tushar Chandra. Pushpak Patel ist Leiter des 3D-Druck-Labores und stellt in Kooperation mit unseren CT- und MRT-Teams sicher, dass wir die richtigen Bilder für die Modelle erhalten. Zum Team gehören auch zwei Techniker, die sich um die Segmentierung und Modellierung kümmern. Außerdem unterhalten wir eine Kooperation mit der University of Central Florida (UCF), die uns mit zusätzlichen Ressourcen für bestimmte Arten der Modellierung und des Drucks unterstützt.

Was genau geschieht aktuell im Labor?

Als wir begannen, diese neuen Technologien einzusetzen, war unsere größte Sorge, dass unsere Ideen die Fähigkeiten der Software bei weitem übertreffen könnten. Ich erinnere mich daran, dass wir anfangs sehr viele Ideen hatten, der Computer diese aber nicht umsetzen konnte. Inzwischen ist es einfach nur fantastisch, dass die einzige Einschränkung das Know-how des Einzelnen ist.

Vor jeder 3D-Planung treffen wir uns heute mit dem Chirurgen (vor der OP), um die Position der Implantate oder das Design der Schablonen zu besprechen. Nach deren Genehmigung visualisieren wir den Plan für den Patienten und den Chirurgen und legen die Daten in der Patientenakte ab. Auf Nachfrage stehen wir dem Chirurgen und Patienten in der Klinik gerne zur Verfügung, um die technische Seite des Eingriffs zu erläutern.

Welche Hardware und Materialien nutzen Sie?

Wir setzen viele Technologien ein, unter anderem SLA, DLP, FDM und Polyjet. Die Entscheidung darüber, welcher Drucker und welches Material zum Einsatz kommen soll, hängt von den Bedürfnissen des Chirurgen, der Anforderung des Modells, der Komplexität der Anatomie und vom Zeitplan ab. All diese Aspekte spielen bei der Entscheidung unserer Experten eine Rolle.

Inwiefern hat die Software Materialise Mimics Ihre Arbeit verbessert bzw. erst ermöglicht?

Die Genauigkeit des Modells hängt von der Software ab. Wenn gute Software genutzt wird, haben die Modelle eine höhere Qualität. Mit einer Software wie Mimics können wir sicherstellen, dass wir exakte Modelle für unsere Chirurgen und Patienten herstellen. Dank Mimics inPrint können wir die Genauigkeit unserer Modelle überprüfen, indem wir die für den 3D-Druck vorbereitete Datei über die CT- oder MRT-Daten legen. So können wir extrem präzise Modelle gewährleisten. Auch die Benutzerfreundlichkeit der Software ist wichtig. Bei Mimics inPrint ist die Software in fünf einfachen Schritten sehr gut aufgebaut. Das Tool macht die Segmentierung und Modellierung durch das Arbeiten mit nur einer Softwareoberfläche und einem Workflow besonders effizient.

Zusätzlich ermöglicht der cloudbasierte Mimics Viewer die Zusammenarbeit mit unseren Chirurgen in weiter entfernten Einrichtungen. Der Chirurg kann Daten überprüfen und bereitstellen und die Genauigkeit eines Modells bestätigen, bevor der Druckvorgang ausgeführt wird. So können wir problemlos mit Teams an anderen Standorten zusammenarbeiten, beispielsweise mit dem Team auf unserem Campus in Delaware, der tausende Kilometer entfernt ist. Wir können den Teammitgliedern einen Link zum Cloud-Viewer senden, den sie auf ihrem Computer öffnen können. Dann können sie die Daten dort auswerten und uns so weiterhelfen.

Mimics ist auf jeder Hardware in unserem medizinischen Zentrum verfügbar. Deshalb können wir die Arbeit auf jedem Computer im Krankenhaus wieder aufnehmen. Wir verfügen über zwei Büros, eines im Labor und eines im Krankenhaus, und wir können problemlos zwischen den beiden wechseln. Mimics lässt sich überall starten und wir arbeiten direkt an der Stelle weiter, an der wir auf einem anderen Computer aufgehört haben.

Allgemeiner gesagt, ist die Software von Materialise sehr wichtig für den 3D-Druck im Gesundheitswesen, weil Krankenhäuser weltweit auf derselben Plattform arbeiten können. Durch die Nutzung einer einzigen Software für uns alle bietet sich unserer Meinung nach eine hervorragende Möglichkeit sicherzustellen, dass wir dieselbe Sprache sprechen. Wir können uns über Fälle austauschen und gegenseitig von unseren Verfahren lernen, um die Patientenbehandlung überall auf der Welt voranzubringen.

Welche wichtigen Vorteile bietet ein 3D-Druck-Labor am Point-Of-Care?

3D-Druck ist ein neuartiges Werkzeug, mit dem das Gesundheitswesen auf ganz besondere Weise transformiert wird: Wir nähern uns zunehmend dem Bereich der personalisierten Medizin, in dem wir ein vollständig personalisiertes 3D-Modell einsetzen. Das ist so noch nie da gewesen.

3D-Modelle der Anatomie des Patienten
Quelle: Nemours Children’s Hospital

Im medizinischen Bereich wirkt sich dies direkt auf den Patienten und seine Familie aus. Wird ihnen ein 3D-Modell ausgehändigt, können sie alles mit eigenen Augen sehen und viel besser verstehen, was passiert. Auch müssen sie sich nicht auf Verfahren wie Ultraschall, CT oder MRT verlassen, die Laien nur sehr schwer verstehen können.

Ausnahmslos alle Chirurgen, mit denen wir sprechen, schätzen diese Modelle sehr und nutzen sie bevorzugt – besonders bei komplizierten Fällen. Diese Modelle haben den Vorteil, dass der Chirurg modellhaft die tatsächliche Anatomie des Patienten vor dem chirurgischen Eingriff betrachten kann.

Das gab es bisher so nicht: Chirurgen können einen personalisierten Ansatz planen, bevor sie in den OP gehen. Viele Studien haben gezeigt, dass diese Vorgehensweise zu einer kürzeren Operationsdauer, weniger Blutverlust beim chirurgischen Eingriff und weniger Sterbefällen führt. Alles in allem unterscheiden sich diese Modelle deutlich von der Betrachtung von Querschnittsuntersuchungen und Informationen der Radiologen.

Wenn die Ärzte die tatsächlichen Größenverhältnisse im Körper des Patienten besser kennen, hilft ihnen das weiter, insbesondere wenn es um kleine Bereiche und mikrochirurgische Eingriffe geht. Das ist ein immenser Vorteil.

Welchen Mehrwert bietet 3D-Druck für Nemours als Einrichtung?

Abgesehen von der gesundheitlichen Versorgung selbst bietet 3D-Druck unserer Meinung nach Möglichkeiten zur Weiterbildung und Forschung. Wir nutzen ihn bereits als wichtiges Werkzeug für die Ausbildung von Medizinstudenten, Assistenzärzten und Kollegen, z. B. Allgemeinmedizinern und Chirurgen. Nichts kann die Betrachtung eines Organs oder einer Organgruppe im 3D-Format, so wie sie im Körper tatsächlich existieren, mit den eigenen Augen ersetzen. Nehmen wir ein solches Modell mit in eine Vorlesung, ist das Verständnis der Zuhörer für oftmals sehr komplexe Anatomien deutlich besser. Außerdem erhöht sich das Vertrauen der Auszubildenden, wenn sie etwas wirklich „begreifen“.

Nemours hat stets Innovationen und Forschung so gefördert, dass die Patienten den größten Nutzen daraus ziehen. Wir sind der Überzeugung, dass 3D-Druck das Mittel der Zukunft ist: Für das Diagnoseteam gibt es nichts Innovativeres und Neuartigeres als den 3D-Druck. Er erhöht deutlich die Zufriedenheit und das Verständnis der Patienten für komplexe Fälle und macht so die Entscheidungsfindung für Familien einfacher.

Gibt es ein Beispiel aus der Praxis, wo 3D-Druck geholfen hat?

Tatsächlich möchten wir gerne von zwei Fällen berichten. Beim ersten Fall plante eine Chirurgin die Entnahme der gesamten linken Niere eines fünfjährigen Kindes aufgrund eines Tumors. Mit Hilfe eines Modells konnte sie die chirurgische Herangehensweise vorab überprüfen und bereits am Modell testen, bevor sie in den OP ging. Am Modell übte sie, den Tumor herauszuschneiden. Dabei sah sie bereits alle Blutgefäße und den gesamten Harntrakt in der Umgebung. Sie konnte außerdem anhand des Modells der Familie zeigen, was genau mit dem Kind geschehen würde.

3D-Modell einer Kinderniere neben einem entfernten Schnitt derselben Kinderniere
Die Ärzte am Nemours Children’s Hospital konnten dank der Unterstützung durch ein personalisiertes anatomisches 3D-Modell 75 % der Niere des Kindes retten, anstatt das ganze Organ zu entnehmen. Quelle: Nemours Children’s Hospital

Dank des Modells wussten wir, dass sie 75 % der Niere retten konnte, anstatt das ganze Organ zu entnehmen.

Ein weiterer Fall betrifft ein Kind mit einem großen bösartigen Tumor in der Nähe der Schulter. Er ging vom Schulterblatt aus und befand sich sehr nah an den dort liegenden Gefäßen, was den Fall kompliziert machte. Wir besprachen diesen Fall mit einem Team aus Spezialisten und beschlossen, ein 3D-gedrucktes Modell herzustellen. Die Idee war, das Modell der Familie zu zeigen, da der Chirurg die Meinung der Familie des Patienten einholen wollte, um festzulegen, ob er sich für eine Operation oder eine Chemotherapie entscheidet. Diese Entscheidung ist für die Angehörigen sehr schwierig. Deshalb wollten wir sichergehen, dass sie alle Vor- und Nachteile verstehen. Schließlich war die Familie mit dem 3D-Modell in den Händen in der Lage, eine deutlich besser informierte Entscheidung zu treffen.

Sie entschieden sich für eine Chemotherapie, und nach der Behandlung druckten wir ein weiteres Modell. Die Veränderung war bemerkenswert: Es war zu sehen, wie sehr der Tumor geschrumpft war. Als wir dieses Modell erneut mit zur Visite nahmen, konnte der Patient und seine Familie mit den beiden Modellen den Tumor vor und nach der Behandlung vergleichen. Es war wirklich kaum zu glauben: Anfangs war der Tumor ein richtiger Ball, der dann auf die Größe einer Erdnuss schrumpfte.

Diese Art der Interaktion erreicht man nicht mit MRT- oder CT-Bildern, die man der Familie zeigt. Wir glauben, dass hier der 3D-Druck einen enormen Unterschied macht. Die Beteiligten konnten sehen, dass die Chemotherapie wirklich funktioniert und das gewünschte Ergebnis erzielt werden konnte. Das Verständnis war viel besser als das, was mit einem diagnostischen Scan erreicht werden worden wäre.

3D-gedruckte anatomische Modelle eines Tumors mit reduzierter Größe nach Behandlung mit Chemotherapie
Das Modell vorher (rechts) und nachher (links) zeigte den Ärzten und der Familie des Patienten, dass es mit der Chemotherapie gelang, die Größe eines Tumors an der Schulter des Patienten deutlich zu verringern. Quelle: Nemours Children’s Hospital

Welche Anforderungen sind am wichtigsten, um dieser Technologie in der Medizin zum Wachstum zu verhelfen?

Wir glauben, dass 3D-Druck im medizinischen Bereich noch in den Kinderschuhen steckt. Es gibt jedoch viele mögliche Punkte, die ein nachhaltiges Wachstum unterstützen. Das Wichtigste dabei ist die Verbreitung von Wissen und Bewusstsein über die Rolle, die 3D-Druck bei der Transformation des Gesundheitswesens spielen muss. Deshalb versuchen wir mit unserem Team, allgemeine und fallbasierte Informationen an Kollegen, Partner und Chirurgen weiterzugeben. Hierzu zählen Informationen darüber, wie sich 3D-Druck auf die Entscheidungsfindung auswirken und die Erfahrungen der Patienten verbessern kann.

Darüber hinaus halten wir es aus Sicht der Infrastruktur für wichtig, dass die Technologie an sich nachhaltig ist. Im Detail glauben wir, dass Erstattungen und Versicherungen dabei eine große Rolle spielen. Sobald diese Faktoren ins Spiel kommen, passt alles.

Bisher haben wir Gelder aus verschiedenen Projekten verwendet oder konnten auf Spender zurückgreifen, die für diese spezielle Technik Geld gegeben haben. Damit das Verfahren nachhaltig wird, muss unserer Meinung nach die Unterstützung aus dem System kommen. Das ist die zweitwichtigste Anforderung.

Drittens müssen wir für Wachstum in der Forschung und bei technischen Anwendungen sorgen. 3D-Druck hat eine enorme Verbreitung erfahren. Dennoch muss die Forschung fortgeführt und es müssen neue klinische Anwendungsgebiete gefunden werden. Wir brauchen Drucker, die schneller arbeiten und Drucker, die mit komplexen anatomischen Gegebenheiten umgehen können. Die laufende Forschung muss fortgesetzt werden, damit wir andere Menschen informieren, Zugriff auf Finanzmittel erhalten und für Wachstum in diesem Bereich sorgen können. Dann gibt es keinen Grund, warum das Verfahren nicht nachhaltig sein und in Zukunft noch wachsen sollte.

L-100664


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