Die chirurgische Ausbildung stützte sich bisher auf Abbildungen in Lehrbüchern, 2D-Scans, Tierversuche und ein Ausbildungsmodell, das lange Beobachtungsphasen vorsah, bevor praktische Erfahrungen mit seltenen Eingriffen gesammelt werden konnten. Die jüngsten Fortschritte im 3D-Druck bieten Ärzten und Forschern die Möglichkeit, patienten- und krankheitsspezifische Anatomiemodelle für Ausbildung und Forschung zu erstellen. „Wir nutzen 3D-Drucktechnologie und entsprechende Materialien, um eine naturgetreue Gefäßumgebung zu schaffen, die auf keine andere Weise realisierbar ist“, sagte Mike Springer, Leiter für Betrieb und Unternehmertum am Jacobs Institute.
Anstatt auf die Einweisung in neue Verfahren zu warten, nutzen Ärzte am Jacobs Institute 3D-gedruckte Modelle von Patienten mit Schlaganfall, Blutgerinnseln, Aneurysmen und anderen Erkrankungen, um ihre chirurgischen Fähigkeiten in einer risikofreien Umgebung zu entwickeln. Die Modelle werden individuell angepasst, um eine Vielzahl anatomischer Gegebenheiten darzustellen, sodass die teilnehmenden Ärzte mit den Grenzen dessen konfrontiert werden, was sie bei der Behandlung lebender Patienten vorfinden werden. „3D-Gefäßmodelle stellen ein neues Paradigma für die Ausbildung der nächsten Generation von Ärzten dar.
Dieses Paradigma umfasst chirurgische und endovaskuläre Simulationen sowie die Bewertung der Fähigkeiten, bevor die Ärzte Patienten behandeln dürfen“, sagte Dr. L. Nelson Hopkins, Gründer des Jacobs Institute und des Gates Vascular Institute. Die Schulung an 3D-gedruckten Modellen kann praktisch überall durchgeführt werden, wodurch die Kosten und der Aufwand für den Betrieb in den kontrollierten Umgebungen vermieden werden, die für Tierversuche und menschliche Leichen erforderlich sind.
Einrichtungen mit Maßnahmen zum Schutz vor biologischen Gefahren, Kühlräumen oder medizinischer Versorgung vor Ort sind nicht erforderlich, was die Ausbildungskosten erheblich senkt. Zudem können 3D-gedruckte Modelle eine Vielzahl von Geweben realistischer nachbilden als präparierte Leichen, die nicht mehr das Gefühl von lebendem Gewebe vermitteln. Die Modelle können Zugangsstellen, Sensoren und eine Durchblutungssimulation integrieren, was ein hochdynamisches und interaktives Training ermöglicht. Komplikationen können in das Modell integriert werden, um sicherzustellen, dass ein Auszubildender einer komplexen Herausforderung nicht zum ersten Mal bei einem Patienten auf dem Operationstisch begegnet.
Der 3D-Druck ermöglicht es dem Jacobs Institute, das Design von Medizinprodukten zu beschleunigen und zu verbessern. Das Team am CTRC unterstützt zudem präklinische Tests zur Produktvalidierung mithilfe maßgeschneiderter anatomischer Modelle, um Rückmeldungen zur Geräteleistung zu erhalten. Je früher Hersteller von Medizinprodukten Einblicke in die klinische Leistung und die Wechselwirkungen der Geräte mit der Anatomie der Patienten gewinnen, desto schneller können sie noch vor Beginn klinischer Studien mit Designänderungen reagieren. Präklinische Validierungstests werden erheblich verbessert, wenn Ärzte Produkte in realistischen anatomischen Modellen bewerten können, die die klinische Leistung genau simulieren.
„Kürzlich haben wir getestet, wie effektiv ein bestimmtes Produkt das Gehirn erreichen kann, abhängig von der Windung der Anatomie. Wir haben eine Reihe von Modellen mit unterschiedlichem Grad an Windung entworfen und die medizinischen Hilfsmittel anschließend getestet“, sagte Dr. Adnan Siddiqui, Chief Medical Officer am Jacobs Institute, stellvertretender Vorsitzender und Professor für Neurochirurgie an der University at Buffalo sowie Leiter des neurochirurgischen Schlaganfall-Services bei Kaleida Health. „Bei Tieren und Patienten ist dies unmöglich, aber der 3D-Druck macht es in einem reibungslosen, optimierten Prozess einfach.“ Neben der Verbesserung der Leistungsfähigkeit neuer Geräte bei der Behandlung von Patienten ermöglicht das frühzeitige Feedback, das Entwickler aus Tests an realen anatomischen Modellen gewinnen, die Vermeidung kostspieliger und potenziell erfolgloser Tierversuche.
Bei der Vorbereitung auf die anspruchsvollsten Fälle, die an das GVI und das CTRC überwiesen werden, setzen Ärzte auf den 3D-Druck. Unter Verwendung derselben Techniken, die bei der Herstellung anatomischer Modelle für Schulungszwecke und Gerätetests entwickelt wurden, erstellen die Mitarbeiter des Jacobs Institute anhand von Patientenscans physische Modelle, um Eingriffe zu planen, mit den Operationsteams zu kommunizieren, Patienten und deren Angehörige aufzuklären und den Eingriff vor dem Betreten des Operationssaals zu üben. Die Umsetzung der tatsächlichen, vom Patienten stammenden Anatomie in realistische 3D-Modelle ermöglicht es Ärzten, visuelle und taktile Hinweise in ihren Operationsplan zu integrieren.
„Der 3D-Druck ist bei der Planung komplexer Eingriffe im Team von großem Wert. Ohne ihn bereiten wir uns auf Komplikationen nur auf theoretischer Basis vor“, sagte Dr. med. Vijay Iyer, Ph.D. „Oftmals sehen wir uns trotz bester theoretischer Planung mit Situationen konfrontiert, in denen wir nicht wissen, was zu tun ist.“
Physische Modelle ermöglichen es dem Team, Theorien zu testen und potenzielle Komplikationen aufzudecken, bevor der Patient auf dem Operationstisch liegt und die Zeit knapp wird. In einem aktuellen Fall bei der Behandlung einer Patientin mit einem Hirnaneurysma konnte das Team die Eignung seiner chirurgischen Lösung bereits vor der Durchführung bewerten
.„Ursprünglich war unser Plan, ihr Aneurysma mit einem metallischen Korb, einem sogenannten Web-Device, zu behandeln, das wir mithilfe eines winzigen Schlauchs in das Aneurysma einführen wollten. In diesem Fall konnten wir versuchen, dieses Web-Device zu platzieren, und stellten fest, dass es nicht funktionieren würde. Anhand des 3D-Modells konnten wir potenzielle Komplikationen vorwegnehmen und eine weitaus optimalere Methode zur Behandlung des Aneurysmas entwickeln“, sagte Dr. Siddiqui.
Dr. Ciprian Ionita ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Biomedizintechnik und Neurochirurgie an der University at Buffalo. Sein Team am Jacobs Institute nutzt regelmäßig einen 3D-Drucker, um maßgeschneiderte Vorrichtungen für wissenschaftliche Geräte und Experimente herzustellen. „Durch den Einsatz unseres firmeninternen 3D-Druckers sind wir nicht auf externe Werkstätten angewiesen, was sowohl Zeitverzögerungen als auch zusätzliche Kosten verursachen würde. Die meisten dieser Halterungen und Komponenten lassen sich innerhalb weniger Stunden im 3D-Druck herstellen“, so Dr. Ionita. Die für die PolyJet™-Technologie charakteristische hochauflösende Technologie liefert die im Labor erforderliche Genauigkeit.
Für Hightech-Röntgenkomponenten entwarf das Team ein Gehäuse und druckte es im 3D-Verfahren 3D-gedruckt aus, das eine Elektronenvervielfachungs-Kopplungsvorrichtung, die optische Übertragungsoptik und die Elektronik für das Peltier-Kühlsystem enthält. Das System muss bei nahezu null Grad Celsius betrieben werden und gleichzeitig eine perfekte optische Kopplung gewährleisten; der Druck mit dem Durus-3D-Druckmaterial kann diesen Temperaturwechsel bewältigen. Das Forschungsteam von Dr. Ionita hat zudem 3D-gedruckte maßgeschneiderte Gehäuse für ein Mikro-CT-System, Halterungen für die Gewebevermessung und -schnitt sowie weitere Geräte zur Unterstützung der Laborforschung 3D-gedruckt – schnell und ohne kostspielige Auslagerung / Outsourcing.
