Ärzte können 3D-gedruckte Modelle Ihrer Organe vor der Operation untersuchen

Beth Ripley rannte mit einem frischen Herzen in den Händen den Flur entlang auf den Kardiologen zu.

Er zeigte es ihm, nahm es und begann es umzudrehen, inspizierte und untersuchte es. Der Kardiologe erkannte sofort, dass Monate der Planung beiseite geworfen werden mussten. Zurück zum Zeichenbrett.

Das fragliche Herz war ein 3D-Modell des tatsächlichen Tickers der Patientin in voller Größe, das druckfrisch im Brigham and Women's Hospital in Boston, Massachusetts, war. Ripley, ein Radiologe, hatte zusammen mit dem behandelnden Radiologen Mike Steigner das Modell für das Kardiologie-Team erstellt, nachdem sich digitale Modelle als unwirksam für die Visualisierung des chirurgischen Ansatzes erwiesen hatten. Als der Kardiologe ein Modell auf der Grundlage der Daten aus den CT-Scans in die Hände bekam, war das Problem tagelang klar.

Als er sich das Modell anschaute, stellte er fest, dass sich die Vorgehensweise wahrscheinlich von einer minimal-invasiven Katheterisierung zu einer vollständigen Operation am offenen Herzen ändern musste. Tatsächlich war sein Team einer möglichen Komplikation ausgewichen, die ohne das physikalische Modell nicht vorhersehbar war.

Ripley und Tatiana Kelil, eine weitere Radiologin von Brigham und Women's, sind Teil eines neuen Projekts namens 3D Print For Health, das erst vor fünf Monaten gestartet wurde. Es ist eine Liebesarbeit, die in ihrer Freizeit durchgeführt wird, um Diskussionen innerhalb der biomedizinischen 3D-Druck-Community anzuregen. Sie arbeiten auch mit mehreren Chirurgen und Radiologen des Brigham and Women's Hospital zusammen und untersuchen, wie detaillierte 3D-Modelle der tatsächlichen Anatomie der Patienten dazu beitragen können, Komplikationen bei Operationen und Behandlungen zu reduzieren und die Fähigkeit der Patienten zu verbessern, ihre eigenen besten Anwälte zu sein.

„Wir wollten Patienten und Forschern einen Ort bieten, an dem sie Ideen austauschen können, wie wir den 3D-Druck in der Medizin am besten einsetzen können“, sagt Ripley. "In den Händen der richtigen Leute kann es ein extrem mächtiges Werkzeug sein."

3D-Scan eines Herzens (3D Print For Health) 3D-Scan eines Schlaganfalls im Gehirn (3D Print For Health) 3D-Scan einer Niere (3D Print For Health)

Das Team ist motiviert von seinen Patienten und dem Wunsch, einen echten Unterschied für sie zu machen. Manchmal bedeutet dies, dem Patienten zu helfen, seine Krankheit oder Pathologie besser zu verstehen. Manchmal hilft es einem Chirurgen dabei, ein engmaschiges Stück für Stück für ein bevorstehendes Verfahren zu entwickeln.

"Wir haben die Chirurgen gefragt, was sie nachts wach hält", sagt Kelil. „Benötigten sie Hilfe bei der Visualisierung der Anatomie eines Patienten oder bei der Übermittlung eines Verfahrens an einen Patienten? Wir möchten ein Modell nicht drucken, nur weil es druckbar ist - es muss nützlich sein. “

Brigham and Women's ist nicht die erste medizinische Einrichtung, die den 3D-Druck auf diese Weise einsetzt. Unternehmen der medizinischen Versorgung verwenden 3D-gedruckte anatomische Modelle, um bessere Prototypen von Geräten, einschließlich Herzklappen und Prothesen, zu entwerfen. Die National Institutes of Health unterhält einen Druckaustausch, in dem Modelle frei zum Download zur Verfügung stehen. Was die Bemühungen von Brigham und Women's Hospital auszeichnet, ist die Tatsache, dass sie Studien darüber entwerfen und durchführen, wie gedruckte Modelle vor dem Eingriff die Operationszeit und Komplikationen verkürzen.

Das Team konzentriert sich auf zwei Verfahren in Zusammenarbeit mit anderen Ärzten des Brigham and Women's Hospital - einen minimal invasiven Aortenklappenersatz und eine robotergestützte Nierentumorresektion, bei der nach dem Festklemmen der Gefäße jede Sekunde zählt. Mit einem 3D-Modell der Aorta eines Patienten vor der Operation können Ärzte eine Klappe auswählen, die genau passt. Für eine Niere bietet das Modell dem Chirurgen eine bessere Visualisierung der Tumorlokalisation und minimiert Gewebeschäden durch eine verringerte Durchblutung des Organs während der Operation.

„Mit minimal invasivem Klappenersatz können Interventionisten die Brust nicht öffnen und die Klappe physisch messen, um sicherzustellen, dass sie passt“, sagt Ripley. "Derzeit ist die einzige Möglichkeit, dies zu messen, ein 2D-Bild, aber selbst mit den besten Bildern ist dies nicht immer einfach."

In enger Zusammenarbeit mit James Weaver und Ahmed Hosny, Experten für hochauflösenden 3D-Druck am Wyss Institute for Biological Inspired Engineering der Harvard University, untersucht das Team, wie genau die digitalen Daten in physikalische Modelle umgesetzt werden und wie sie optimal genutzt werden können Bestehende Scans reduzieren die Exposition der Patienten gegenüber unnötiger zusätzlicher Strahlung.

Zahnärzte machen das schon seit Jahren. Wenn Sie die Zahnkrone verlieren, wird ein Ersatz hergestellt. Alles, was nicht perfekt passt, kann die umgebenden Zähne und den darunter liegenden Knochen beschädigen. Mit dem 3D-Druck erlebt das Team einen Aufschwung in der personalisierten Medizin.

"Wir sind wirklich daran interessiert, patientenspezifische Behandlungen zu entwickeln", sagt Hosny. „Wir möchten die für Sie am besten geeignete Lösung entwickeln. Im Idealfall bedeutet dies, dass Sie Messungen vornehmen, diese an einen Hersteller medizinischer Geräte senden und etwas zurückerhalten, das genau zu jedem Patienten passt.“

Und die Gruppe ist der Ansicht, dass medizinische 3D-Modelle nicht nur für seltene oder komplizierte Eingriffe häufig eingesetzt werden.

Beth Ripley (links) und Tatiana Kelil (rechts) erläutern den Teilnehmern des National Maker Faire am vergangenen Wochenende in Washington, DC, den Prozess des 3D-Druckens anatomischer Modelle (3D Print For Health). (3D-Druck für die Gesundheit) (3D-Druck für die Gesundheit) (3D-Druck für die Gesundheit) (3D-Druck für die Gesundheit) (3D-Druck für die Gesundheit) (3D-Druck für die Gesundheit) Zu Kelil (ganz links) und Ripley (zweiter von links) gesellten sich die Teamkollegen James Weaver (zweiter von rechts) und Ahmed Hosny (ganz rechts) vom Wyss Institute for Biological Inspired Engineering der Harvard University. (3D-Druck für die Gesundheit)

Sie haben eine Reihe von Modellen erstellt, die die Auswirkungen der „Top 10 Killers“ zeigen, um zu demonstrieren, wie sich der 3D-Druck gegen Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebs, COPD, Trauma, Schlaganfall, Alzheimer, Diabetes, Lungenentzündung und Grippe, Nierenerkrankungen und Selbstmord eignet . Auf der jüngsten National Maker Faire in Washington, DC, versammelten sich die Teilnehmer um den Ausstellungstisch und nahmen Gehirne, Füße und Herzen auf. Ripley, Kelil, Hosny und Weaver erklärten abwechselnd den Herstellungsprozess von Modellen und ihre potenziellen Vorteile für das Gesundheitswesen.

Das Team hofft, dass ihre Bemühungen zu einer patientenspezifischen Behandlung führen werden. Als Beispiel verweisen sie auf Steven Keating, einen Forscher am MIT, bei dem 2014 ein großer Gehirntumor diagnostiziert wurde. Keating arbeitete aktiv mit Weaver und Hosny zusammen, um den Tumor in 3D zu visualisieren, während sein Chirurg Ennio Chiocca sie aufforderte, eine speziell strukturierte Replik zu drucken.

Die 3D-Modelle halfen Keating dabei, das Ausmaß des Tumors besser zu verstehen, und lieferten leistungsstarke visuelle Hilfsmittel, um seine Diagnose seiner Familie, Freunden und Wissenschaftskollegen mitzuteilen. Seine Erfahrungen haben auch dazu beigetragen, die Öffentlichkeit für die Bildungskraft des biomedizinischen 3D-Drucks zu sensibilisieren.

Idealerweise sieht die Gruppe einen Patienten vor, der in der Lage ist, Scandaten zu einem Arzt zu bringen und ein Modell dieses Organs oder Gewebes anfertigen zu lassen - für jeden Eingriff. Gegenwärtig decken die meisten Versicherungen nicht die Kosten für die Herstellung von Modellen, aber Kelil sagt, dass sich in naher Zukunft Änderungen ergeben könnten, wenn wir weiterhin nachweisen, dass Diagnose, Behandlung und Kostensenkung von Nutzen sind. Das Herz, das Ripley produzierte, kostete ungefähr 200 Dollar an Material und Arbeit.

Wenn ein Patient an einem 3D-Druckmodell interessiert ist, sollte er zumindest sofort nach den digitalen Bildern fragen, rät Ripley. Diese Bilder könnten sich später als nützlich erweisen.

"Patienten sollten Zugang zu ihren eigenen Daten haben", sagt Kelil. "Es ist ihre eigene Anatomie."

Joseph Madsen, außerordentlicher Professor für Neurochirurgie an der Harvard Medical School und Direktor des Programms für Epilepsiechirurgie am Boston Children's Hospital, nutzte kürzlich auch ein physikalisches Modell des Gehirns eines Patienten, an dem er operieren würde. Er war in der Lage, einen Trockenlauf der Operation, der ein komplizierter Folgevorgang war, auf dem Modell durchzuführen.

"Wir sind noch nicht so weit, um routinemäßig operiert zu werden, aber wir müssen jeden Tag daran arbeiten", sagt Madsen. Er glaubt, dass es einige Zeit dauern wird, bis die Praxis ausgereift ist.

Madsen hat ein besonderes Verständnis für die Welt des 3D-Modellierens: Als Gymnasiast war sein allererster Laborberater ein Student der Informatik in Utah, der mit Computeranimation experimentierte. Zu der Zeit, in den frühen 70er Jahren, war dies eine tiefgreifende neue Nutzung der Rechenleistung in einer Zeit, in der Computer noch langsame Giganten waren. Fast zwei Jahrzehnte später war Madsens Berater Ed Catmull Mitbegründer der Pixar Animation Studios.

"Ed hatte die Vision von 3D-Objekten, die in der Unterhaltung verwendet werden konnten, und zwischen dieser Vision und der Produktion von Toy Story vergingen noch 20 Jahre", sagt Madsen. „Wichtig ist die Vision, wie die Anwendung [des 3D-Drucks] erfolgen soll. Es ist, was Sie damit machen, wie Sie es manipulieren. Ich bin sehr für die Erweiterung der Technologie, aber sie erfordert von den Chirurgen sehr viel sorgfältige Bewertung und Nützlichkeit. “