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Im 3D-Drucker entstehen Knochenmodelle, die den Ärztinnen und Ärzten dazu dienen, die Operation vorab durchzuspielen. Universität Oldenburg / Sonja Niemann
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In der Universitätsklinik von Prof. Dr. Max Ettinger (M.) werden jetzt häufiger Beckenknochen ausgedruckt. Im Büro von Dr. Stephan Brand (r.), leitender Oberarzt, können die Operationen vorab durchgespielt werden. Dass schneller Verfahren, mit denen sich die 3D-Druckdaten erzeugen lassen, hat Dr. Hendrik Pott (l.) entwickelt.
Operation mit Generalproble
Wortwörtlich „wie gedruckt“ laufen seit Kurzem komplizierte Hüftgelenksoperationen im Pius-Hospital Oldenburg. Das Team der Universitätsklinik für Orthopädie hat ein Verfahren entwickelt, mit dem es deutlich schneller als bisher möglich ist, die Beckenknochen ihrer Patientinnen und Patienten auf dem 3D-Drucker auszudrucken. Mit diesen Modellen können die Ärztinnen und Ärzte komplizierte Operationen vorab durchspielen und zum Beispiel prüfen, ob gängige Hüftgelenksprothesen in den Beckenknochen der Patientin oder des Patienten passen – oder ob eine maßangefertigte Prothese notwendig ist.
In grünes Licht getaucht flitzt die Düse im 3D-Drucker hin und her, der kaum größer als ein Campingkühlschrank ist, und spritzt geschmolzenen, weißen Kunststoff auf das Druckbett. Dass hier gerade Schicht für Schicht Knochenmodelle entstehen, ist auch mit ungeübtem Auge zu erkennen. Der Drucker steht in einem unscheinbaren kleinen Raum des Gebäudes in den Heiligengeisthöfen, in denen die Universitätsklinik für Orthopädie ihre Forschungsräume hat.
Die Zusage, ein 3D-Labor einrichten zu können, war vor drei Jahren einer der Gründe, warum der Orthopäde Prof. Dr. Max Ettinger den Ruf an die Universität Oldenburg angenommen hat und heute die Universitätsklinik für Orthopädie am Pius-Hospital leitet. „In dem Thema steckt großes Forschungspotenzial, weil es einerseits gerade erst anfängt, größere Beachtung zu finden, andererseits Ergebnisse produziert, die zügig in die praktische Anwendung gehen können“, sagt er. Die patientenindividuell gedruckten Hüftknochen, die seit Kurzem regelmäßig in der OP-Planung zum Einsatz kommen, seien ein Beispiel dafür, wie schnell Forschung in diesem Bereich die Prozesse im Klinikalltag verändern kann.
Inzwischen türmen sich nicht nur im kleinen Druckerraum die Knochenmodelle, sondern auch im Büro von Dr. Stephan Brand, Leitender Oberarzt der Universitätsklinik für Orthopädie. Dort liegen auch 3D-Drucke von gängigen Hüftgelenksprothesen in verschiedenen Größen bereit, um vor der Operation am Beckenknochen von Patientinnen und Patienten „anprobiert“ zu werden. Für die Generalprobe vor der echten OP steht inzwischen ein eigener Tisch in Brands Büro. „Wir haben festgestellt, dass das, was wir hier in meinem Büro durchspielen, gut zu dem Bild passt, dass wir bei der echten Operation erhalten. Wir bekommen einen guten Eindruck von dem, was uns erwartet“, sagt Brand.
Beckenknochen für unter 5 Euro
Die Möglichkeit, Operationsschritte mit 3D-gedruckten Knochenmodellen zu proben, die anhand der CT-Scans von Patientinnen und Patienten erstellt werden, besteht bereits seit einer Weile. Neu ist aber der einfache und schnelle Prozess, den die Oldenburger entwickelt haben, um aus den zweidimensionalen CT-Daten dreidimensionale Druckdaten zu generieren, die der Drucker verarbeiten kann. Die Möglichkeit, 3D-Modelle schnell und kostengünstig selbst produzieren zu können, macht diese Technik attraktiv für eine breite Anwendung im klinischen Alltag. Die Materialkosten für einen gedruckten Beckenknochen liegen bei unter 5 Euro – inklusive Strom.
Maßgeblich an der Entwicklung des Verfahrens beteiligt war Dr. Hendrik Pott, Assistenzarzt und Erstautor des im Fachmagazin „Experimental Orthopaedics“ veröffentlicht Beitrags, der das Vorgehen beschreibt. Um am Computer ein druckbares 3D-Modell erstellen zu können, muss die Software genau wissen, welche Bereiche auf dem CT-Scan relevante Informationen über Knochenstrukturen enthalten und welche Bereiche zum Beispiel umgebendes Weichteilgewebe darstellen, die für den Druck unwichtig sind“, erklärt Pott eine der größten Schwierigkeiten. Dieser Prozess – die sogenannte Segmentierung – kann mehrere Stunden dauern, wenn eine ungeübte Person sie manuell am Bildschirm durchführt und Pixel für Pixel Bildinformationen als relevant oder irrelevant kennzeichnen muss – ein Aufwand, für den im Klinikalltag keine Zeit ist
Auf Basis der kostenlosen Software 3D-Slicer und einem Zusatzmodul, das die Segmentierung automatisch durchführt, hat Pott ein Vorgehen entwickelt, das nicht nur schnell ist, sondern auch leicht erlernbar. Dauert manuelles Segmentieren selbst mit Übung meist mindestens eine Dreiviertelstunde, war schon die erste automatische Segmentierung samt manueller Nachbearbeitung deutlich schneller und dauerte nur noch 17 Minuten.
Verfahren auch für Ungeübte geeignet
Ziel war aber, ein Verfahren zu etablieren, das auch Ungeübte schnell erlernen können. In einem Protokoll hielt der Arzt deshalb die einzelnen Arbeitsschritte fest und testete mit zwei Kollegen aus der Uniklinik, wie schnell diese CT-Scans zu druckfertigen Daten weiterverarbeiten können. Schon innerhalb von zehn Scans hatten sie den Bogen raus und brauchten für diese Arbeit weniger als zehn Minuten pro Modell.
„Das ist ein Aufwand, den wir durchaus ein paar Mal pro Woche leisten können“, resümiert Ettinger. Für Patientinnen und Patienten kann die Vorbereitung erhebliche Unterschiede machen. Insbesondere bei komplizierten Revisions-Operationen, bei denen eine jahrelang getragene Hüftprothese ausgetauscht werden muss. Bei solchen Eingriffen kann es vorkommen, dass erst während der OP sichtbar wird, wie groß die Abnutzungserscheinungen sind, den das Implantat über die Jahre an der Beckenpfanne hinterlassen hat. Das kann dazu führen, dass Standardimplantate nicht mehr passen und die Operation abgebrochen und wiederholt werden muss, wenn ein passendes Implantat angefertigt ist. Ein Vorab-Druck könnte schon vor der Operation offenbaren, dass Probleme zu erwarten sind.
Vorteile sollen weiter erforscht werden
Die ersten Praxiserfahrungen des Uniklinikteams sind vielversprechend. Inwiefern die Vorplanung am 3D-Modell auch objektiv zu Verbesserungen für Patientinnen und Patienten und Personal führt, will das Team ab Sommer weiter untersuchen und bis dahin auch in der Lage sein, den Austausch von Kniegelenken am 3D-Modell zu planen.
Ebenfalls in den Blick nehmen wollen die Forschenden der Orthopädie dann auch ökonomische und ökologische Faktoren. „Je genauer wir die Operation vorplanen können, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir spontan unser Vorgehen ändern und zum Beispiel zusätzliche Instrumente nutzen müssen, die anschließend sterilisiert werden müssen“, erklärt Ettinger. Auch Personalbedarf und Arbeitsbelastung könnten durch weniger unvorhergesehene Ereignisse sinken, so die These der Forschenden.
Ettinger ist es wichtig, dass die Abläufe in seiner Klinik für alle Beteiligten so effizient wie möglich sind – auch, um auf künftige Herausforderungen vorbereitet zu sein. „Einflüsse wie Fachkräftemangel, steigende Patientenzahlen auch aufgrund der Zentralisierung medizinischer Leistungen und ökonomischer Druck werden wir in Zukunft in unserem Klinikalltag schließlich noch deutlicher spüren“, sagt Ettinger.
