MEDIZINREPORT

Anatomische Rekonstruktion: 3-D-Drucker erobern den OP-Saal

Dtsch Arztebl 2017; 114(38): A-1704 / B-1446 / C-1416

Lenzen-Schulte, Martina

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So exakt Bildgebung auch sein mag – mitunter hilft ein dreidimensionales Modell weit besser, sich den Operationssitus vorzustellen. Chirurgen fertigen immer öfter individuelle Organ- und Gefäßprototypen, um sich vorab zu orientieren und zu üben.

Gefäßchirurgen, Neurochirurgen, Wirbelsäulenchirurgen, Herzchirurgen, Operateure, die siamesische Zwillinge trennen, und jene, die eine Brust rekonstruieren – sie alle haben im 3-D-Drucker ein derart wichtiges Hilfsmittel entdeckt, dass sie es am liebsten direkt auf ihren Stationen stehen hätten. Bisher boomen die Produkte aus dem 3-D-Drucker vor allem bei der Herstellung und Anpassung von Dentaltechnik, Prothesen und Implantaten. Das macht ihren Hauptanteil am Marktvolumen in der Medizintechnik aus. Der wurde 2013 noch auf 6 Millionen US-Dollar beziffert, soll aber 2025 bis zu einem Wert von 391 Millionen US-Dollar ansteigen (1).

Die dreidimensionalen Druckerzeugnisse sind jedoch die längste Zeit lediglich passgenauer Knochenersatz gewesen. Auf der 2. Internationalen Konferenz für 3-D-Printing in der Medizin in Mainz wurde klar, dass die Visualisierung der individuellen anatomischen Verhältnisse für Operateure einen genialen Beifang dieser Technik darstellt (2). Mit den Datensätzen aus der Computertomographie oder dem Kernspin lassen sich dreidimensionale Modelle zum Anfassen „drucken“. Diese bieten dem Chirurgen die Möglichkeit, den Situs vorab gleichsam zu drehen, zu wenden und von allen Seiten zu betrachten. Das wird als optimale Vorbereitung sowohl von den erfahrenen Operateuren geschätzt als auch von jenen genutzt, die bestimmte Eingriffe zunächst am Modell einüben wollen.

Gefäßtracking leicht gemacht

Dr. med. Saahil Mehta, plastischer Chirurg am Guysʼ und St. Thomasʼ Hospital in London, schilderte in Mainz die weltweit erste 3-D-Anwendung zur besseren Planung des autologen Mammaersatzes aus der Bauchwand. Damit der sogenannte DIEP-Muskelflap als freier Gewebelappen zur Formung einer neuen Brust durchblutet wird, müssen die zugehörigen abdominalen Perforansarterien mitgenommen werden. Diese Gefäße winden sich innerhalb der Bauchwand oft in die unterschiedlichsten Richtungen, ähnlich einer Korkenzieherweide. „Sie sind sehr delikat, kommen irgendwoher und verschwinden wieder“, veranschaulicht Mehta die Schwierigkeit. Das Freipräparieren dauert daher oft lange, umliegendes Gewebe kann zu Schaden kommen. Deshalb zählt dieser Schritt zu den kompliziertesten des gesamten Eingriffs.

Mittels Computertomographie-Angiogramm werden die Perforantes-Arterien zwar sehr exakt dargestellt. Dennoch wollte man es besser machen. Das Team aus London hat sich anregen lassen von Neurochirurgen, die inzwischen vor ihren Eingriffen zum Beispiel Aneurysmata im Gehirn mithilfe des 3-D-Printings darstellen (3). „Wir haben einen lebensgroßen Bauchwandtorso aus transparentem Material gedruckt“, erläuterte Mehta in Mainz (Abbildung 1, 2). So sind die aufgrund der CT-Angiogramm-Datensätze dunkel eingefärbten Gefäße in ihrem Verlauf durch die Bauchwand ganz deutlich sichtbar. Das Druckmodell sei so detailliert, schreiben die Londoner Autoren in ihrer Publikation, dass dies ein weit besseres Verständnis der Anatomie ermögliche als zweidimensionale Bilder am Computer. Die Operation sei insgesamt viel schneller als sonst verlaufen, so Mehta in Mainz. Allerdings müsse in weiteren Studien systematisch untersucht werden, wie viel Zeit damit im Mittel eingespart werden könne, erläuterte er.

Der Verlauf der Perforansarterien ist individuell verschieden. Für die Mammarekonstruktion sind sie unerlässlich. Fotos: Dr. Guys‘ und St. Thomas‘ Hospital/London
Abbildung 1
Der Verlauf der Perforansarterien ist individuell verschieden. Für die Mammarekonstruktion sind sie unerlässlich. Fotos: Dr. Guys‘ und St. Thomas‘ Hospital/London
Einsicht durch Aufsicht: Wer sich vorab ein Modell schafft, wird als Chirurg von den korkenzieherartigen Windungen dieser Gefäße nicht mehr überrascht.
Abbildung 2
Einsicht durch Aufsicht: Wer sich vorab ein Modell schafft, wird als Chirurg von den korkenzieherartigen Windungen dieser Gefäße nicht mehr überrascht.

Was CT und MRT nicht sehen

Nicht so sehr zur Zeitersparnis, sondern zur besseren Entscheidung für oder gegen eine Operation nutzte Prof. Dr. med. Ralf Sodian das individuelle 3-D-Modell vom Herzen einer Patientin. Sie stellte sich beim Chefarzt der Klinik für Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie am Herzzentrum Lahr vor, nachdem ihr an einer anderen Klinik eine biologische Mitralklappe eingesetzt worden war. Sie klagte unter anderem über Dyspnoe, ihre Beschwerden ließen sich jedoch nicht aus den Befunden erklären. „Obwohl CT, Kernspin, Katheteruntersuchungen und Sonographie exzellente Informationen liefern, war dieses Problem damit nicht zu lösen“, erklärte Sodian.

Erst wenn man das 3-D-Modell in die Hand nahm und in einem ganz bestimmten Winkel die Ausflussbahn der Aorta betrachtete, wurde erkennbar, dass eine der Verankerungen der Mitralklappe in den linksventrikulären Ausflusstrakt hineinragte – dann leuchtete unmittelbar ein, wie hinderlich dies war (Abbildung 3). Es war keine leichte Entscheidung, eine erst kürzlich bei einer noch relativ jungen Frau (39 Jahre) eingesetzte biologische Klappenprothese erneut zu ersetzen. „Erst mit dieser eindeutig nachvollziehbaren Darstellung haben wir uns zusammen mit der Patientin zu einer Revision entschließen können“, so der Herzchirurg. Die Frau erhielt eine neue mechanische Mitralklappe und ist derzeit beschwerdefrei.

Was weder im CT noch mittels MRT oder Ultraschall so klar erkennbar ist: Man schaut in die Aorta und sieht den dreieckigen Stent (blau) der Mitralklappenprothese in den Ausflusstrakt der Hauptschlagader hineinragen. Foto:TomTec/Sodian
Abbildung 3
Was weder im CT noch mittels MRT oder Ultraschall so klar erkennbar ist: Man schaut in die Aorta und sieht den dreieckigen Stent (blau) der Mitralklappenprothese in den Ausflusstrakt der Hauptschlagader hineinragen. Foto:TomTec/Sodian

Das Herzzentrum in Lahr plant, einen 3-D-Drucker eigens für die Klinik anzuschaffen. Ein Modell zu drucken, kostet in der Herstellung derzeit etwa 200–400 Euro, im Rahmen einer komplexen Operationsplanung stellt das zumindest keine Unsumme dar. Die Bilddaten für den Drucker werden mittels CT oder MRT generiert. Die Prototypen können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Darauf lassen sich dann Strukturen farblich absetzen, um zum Beispiel einen Tumor an der Ventrikelwand in seiner Ausdehnung zu markieren.

Gefäßmissbildungen lassen sich ebenfalls besser visualisieren. „Wir können die Modelle zudem aufsägen, um die Hohlstruktur innen zu betrachten“, erläutert Sodian. Außerdem lassen sich die Modelle sterilisieren und dienen so auch während des Eingriffs zur besseren Orientierung. Inzwischen hat seine Arbeitsgruppe 8 repräsentative Fälle veröffentlicht, in denen das 3-D-Modell sowohl bei kongenitalen Herzfehlern als auch in der Kardiochirurgie Erwachsener essenzielle Hinweise liefern konnte (4).

Trainieren für die „Wire Skills“

Ein nicht zu unterschätzender Vorteil liegt in der Möglichkeit, patientenindividuelle Modelle von Gefäßpathologien, wie Aneurysmata der Aorta, mittels 3-D-Printing herzustellen. Das erlaubt es, an solchen Modellen endovaskuläre gefäßchirurgische Eingriffe zu üben. Prof. Dr. med. Bernhard Dorweiler, Leiter der Sektion Gefäßchirurgie der Klinik für Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie der Universitätsmedizin Mainz, nutzt dies mit seiner Arbeitsgruppe unter anderem gezielt für die präoperative Vorbereitung (Abbildung 4, 5). Dort ist es gelungen, ein modulares Modell zu schaffen, das es sowohl ermöglicht, unabhängig von einer konkreten Operation zu trainieren als auch an einem patientenspezifischen Modell den Eingriff vorab zu simulieren. So gelang es in Mainz erstmals bei einem komplizierten Aorten-aneurysma, das die abgehenden Hirngefäße einbezog, eine neuartige Gefäßprothese rein endovaskulär über den inguinalen Zugang zu implantieren. Dank präziser Planung am 3-D-Modell ließ sich die offene Herz-OP vermeiden (5).

Unterbrochener Aortenbogen in 3-D: Die Umgehungskreisläufe der Fehlbildung sind grotesk erweitert. Die exakten Gefäßbeziehungen waren im CT allein nicht ersichtlich. Der Eingriff gelang nach Planung eines dreistufigen Operationsverfahrens. Fotos: Universitätsmedizin Mainz
Abbildung 4
Unterbrochener Aortenbogen in 3-D: Die Umgehungskreisläufe der Fehlbildung sind grotesk erweitert. Die exakten Gefäßbeziehungen waren im CT allein nicht ersichtlich. Der Eingriff gelang nach Planung eines dreistufigen Operationsverfahrens. Fotos: Universitätsmedizin Mainz
Wire Skills: Das Navigieren mit bis zu 3 m langen Drähten ist nicht trivial. Vor allem da, wo es um extrem enge Kurven geht, hilft es, wenn zuvor ein 1:1-Modell zum Training zur Verfügung steht.
Abbildung 5
Wire Skills: Das Navigieren mit bis zu 3 m langen Drähten ist nicht trivial. Vor allem da, wo es um extrem enge Kurven geht, hilft es, wenn zuvor ein 1:1-Modell zum Training zur Verfügung steht.

„Auf diese Weise können aber Assistenzärzte auch unabhängig von der Planung einer konkreten OP optimal endovaskuläre Eingriffe trainieren“, so Dorweiler zum didaktischen Wert des 3-D-Drucks. Die Mainzer Forscher erstellen zum Beispiel transparente Modelle – etwa eine Aorta mit Abzweigungen wichtiger Gefäße wie den renalen Arterien oder der Mesenterica superior. An diesem Modell können Gefäßchirurgen die Sondierungsmanöver üben und ihre sogenannten Wire Skills zur Handhabung von Drähten oder Kathetern zum Platzieren von Stents verbessern. Hierfür haben die Anwender allerdings noch Wünsche an die Druckingenieure: „Unsere durchsichtigen Modelle sind derzeit noch starr. Es gibt flexible Erzeugnisse aus dem Drucker, die sind aber leider nicht durchsichtig – optimal wäre eine Kombination“, formuliert Dorweiler die Herausforderung. Dann könnte man nicht nur sehen, wohin man den Draht schiebt, sondern dabei außerdem die Reaktion der elastischen Gefäßwand wahrnehmen und das Vorgehen dementsprechend anpassen.

Zwillingstrennung mittels 3-D

Sodian und Dorweiler zeigten sich im Gespräch mit dem DÄ überzeugt, dass die bisher erst in wenigen Zentren zur Verfügung stehenden Druckverfahren künftig Schule machen werden. Denn nicht nur komplexe Fälle in Kardiologie und Gefäßchirurgie profitieren davon. Laut einer Analyse von 227 einschlägigen Publikationen geht die präoperative Nutzung von 3-D-Modellen in 53,93 % mit einer Reduktion der Operationszeiten einher (6). Insgesamt 73 Arbeiten berichten von einem verbesserten Outcome, keine Veröffentlichung nennt eine Verschlechterung. Die Kosten werden allerdings nur selten erwähnt, wenn, dann liegen sie aufgrund der Materialien für die Druckmodelle und den Anschaffungskosten eines Druckers in der Regel höher. Aber es gibt schon Bemühungen um Preisreduktionen. Onkochirurgen druckten kürzlich eine ganze Leber mit kolorektalen Metastasen sehr kostengünstig, um die laparoskopische Resektion zu planen (7).

Es verwundert daher nicht, dass Forschungsarbeiten zum 3-D-Druck in der Medizin exponentiell zunehmen. Unlängst erschien eine Arbeit von Chirurgen, die erstmals die Verwendung eines Fixateur externe zur Therapie von Knochendeformitäten mit 3-D-Modellen von Tibia und Fibula vorbereitet hatten (8). Und selbst die seltenen Trennungen von siamesischen Zwillingen plant Prof. Dr. Michael J. Boyajian vom Childrenʼs National Medical Center in Washington inzwischen am Modell aus dem Drucker (9).

Dr. med. Martina Lenzen-Schulte

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit3817
oder über QR-Code.

1.
Al-Nawas M, Schwabe W: 3D-Druck in der Medizin. Fiktion oder Wissenschaft. mt/Medizintechnik 2017; 137 (3): 9–11.
2.
2nd Interational Conference on 3D Printing in Medicine. 19.–20. Mai, Mainz. www.3dprint-congress.com (last accessed on 11 September 2017).
3.
Mehta S, Byrne N, Karunanithy N, Farhadi J: 3D printing provides unrivalled bespoke teaching tools for autologous free flap breast reconstruction. J Plast Reconstr Aesthet Surg 2016; 69 (4): 578–80 CrossRef MEDLINE
4.
Schmauss D, Haeberle S, Hagl C, Sodian R: Three-dimensional printing in cardiac surgery and international cardiology: a single-center experience. Eur J Cardiothorac Surg 2015; 47: 1044–52 CrossRef MEDLINE
5.
Dorweiler B: Anwendungen des 3D-Druckes in der Gefäßchirurgie. mt/Medizintechnik 2017; 137 (3): 25–7.
6.
Tack P, Victor J, Gemmel P, Annemans L: 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. Biomed Eng Online 2016; 15 (1): 115 CrossRef MEDLINE PubMed Central
7.
Witowski JS, Pedziwiatr M, Major P, Budzynski A: Cost-effective, personalized, 3D-printed liver model for preoperative planning before laparoscopic liver hemihepatectomy for colorectal cancer metastases. Int J Comput Assist Radiol Surg 2017. doi: 10.1007/s11548–017–1527–3. (Epub ahead of print) CrossRef
8.
Burzynska K, Morasiewicz P, Filipiak J: The use of 3D printing technology in the Ilizarov method treatment: pilot study. Adv Clin Exp Med 2016; 25 (6): 1157–63 CrossRef MEDLINE
9.
Wood BC, Sher SR, Mitchell BJ, et al.: Conjoined twin separation: Integration of three-dimensional modeling for optimization of surgical planning. J Craniofac Surg 2017; 28: 4–10 CrossRef MEDLINE
Der Verlauf der Perforansarterien ist individuell verschieden. Für die Mammarekonstruktion sind sie unerlässlich. Fotos: Dr. Guys‘ und St. Thomas‘ Hospital/London
Abbildung 1
Der Verlauf der Perforansarterien ist individuell verschieden. Für die Mammarekonstruktion sind sie unerlässlich. Fotos: Dr. Guys‘ und St. Thomas‘ Hospital/London
Einsicht durch Aufsicht: Wer sich vorab ein Modell schafft, wird als Chirurg von den korkenzieherartigen Windungen dieser Gefäße nicht mehr überrascht.
Abbildung 2
Einsicht durch Aufsicht: Wer sich vorab ein Modell schafft, wird als Chirurg von den korkenzieherartigen Windungen dieser Gefäße nicht mehr überrascht.
Was weder im CT noch mittels MRT oder Ultraschall so klar erkennbar ist: Man schaut in die Aorta und sieht den dreieckigen Stent (blau) der Mitralklappenprothese in den Ausflusstrakt der Hauptschlagader hineinragen. Foto:TomTec/Sodian
Abbildung 3
Was weder im CT noch mittels MRT oder Ultraschall so klar erkennbar ist: Man schaut in die Aorta und sieht den dreieckigen Stent (blau) der Mitralklappenprothese in den Ausflusstrakt der Hauptschlagader hineinragen. Foto:TomTec/Sodian
Unterbrochener Aortenbogen in 3-D: Die Umgehungskreisläufe der Fehlbildung sind grotesk erweitert. Die exakten Gefäßbeziehungen waren im CT allein nicht ersichtlich. Der Eingriff gelang nach Planung eines dreistufigen Operationsverfahrens. Fotos: Universitätsmedizin Mainz
Abbildung 4
Unterbrochener Aortenbogen in 3-D: Die Umgehungskreisläufe der Fehlbildung sind grotesk erweitert. Die exakten Gefäßbeziehungen waren im CT allein nicht ersichtlich. Der Eingriff gelang nach Planung eines dreistufigen Operationsverfahrens. Fotos: Universitätsmedizin Mainz
Wire Skills: Das Navigieren mit bis zu 3 m langen Drähten ist nicht trivial. Vor allem da, wo es um extrem enge Kurven geht, hilft es, wenn zuvor ein 1:1-Modell zum Training zur Verfügung steht.
Abbildung 5
Wire Skills: Das Navigieren mit bis zu 3 m langen Drähten ist nicht trivial. Vor allem da, wo es um extrem enge Kurven geht, hilft es, wenn zuvor ein 1:1-Modell zum Training zur Verfügung steht.
1.Al-Nawas M, Schwabe W: 3D-Druck in der Medizin. Fiktion oder Wissenschaft. mt/Medizintechnik 2017; 137 (3): 9–11.
2.2nd Interational Conference on 3D Printing in Medicine. 19.–20. Mai, Mainz. www.3dprint-congress.com (last accessed on 11 September 2017).
3.Mehta S, Byrne N, Karunanithy N, Farhadi J: 3D printing provides unrivalled bespoke teaching tools for autologous free flap breast reconstruction. J Plast Reconstr Aesthet Surg 2016; 69 (4): 578–80 CrossRef MEDLINE
4.Schmauss D, Haeberle S, Hagl C, Sodian R: Three-dimensional printing in cardiac surgery and international cardiology: a single-center experience. Eur J Cardiothorac Surg 2015; 47: 1044–52 CrossRef MEDLINE
5.Dorweiler B: Anwendungen des 3D-Druckes in der Gefäßchirurgie. mt/Medizintechnik 2017; 137 (3): 25–7.
6.Tack P, Victor J, Gemmel P, Annemans L: 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. Biomed Eng Online 2016; 15 (1): 115 CrossRef MEDLINE PubMed Central
7.Witowski JS, Pedziwiatr M, Major P, Budzynski A: Cost-effective, personalized, 3D-printed liver model for preoperative planning before laparoscopic liver hemihepatectomy for colorectal cancer metastases. Int J Comput Assist Radiol Surg 2017. doi: 10.1007/s11548–017–1527–3. (Epub ahead of print) CrossRef
8.Burzynska K, Morasiewicz P, Filipiak J: The use of 3D printing technology in the Ilizarov method treatment: pilot study. Adv Clin Exp Med 2016; 25 (6): 1157–63 CrossRef MEDLINE
9. Wood BC, Sher SR, Mitchell BJ, et al.: Conjoined twin separation: Integration of three-dimensional modeling for optimization of surgical planning. J Craniofac Surg 2017; 28: 4–10 CrossRef MEDLINE

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