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3D-Druck und die Mukoviszidose-Lunge

Die europäische CF-Gesellschaft ECFS veröffentlicht monatlich die wichtigsten News aus der Fachzeitschrift "Journal of Cystic Fibrosis" (JCF). Die Artikel sind auf die wichtigsten Fragen fokussiert und werden in verständlicher (englischer) Sprache dargestellt. Wir stellen Ihnen hier eine Übersetzung der News zur Verfügung.
Abbildung 1: Vom Bild zum Patienten-individuellen 3D-Model bei CF.

A) Röntgenaufnahme von Bronchiektasen und Verdickung der Atemwege im oberen Lungenbereich B) Deutlichere Aufnahme der Bronchiektasen C) 3D-Druckmodell D) Computer-3D-Übertragung des STL-Modells (Standard Tessellation Language) vor dem Drucken E) 3D gedruckte Lungen in den gleichen Seitenansichten. Die Pfeile zeigen einen Bereich der relativ normalen Lunge im linken Oberlappen.

3D Printing and the Cystic Fibrosis Lung

Autoren 

Alicia A Mirza, Terry E Robinson, Kyle Gifford, Haiwei Henry Guo

Stanford University, Lucile Packard Children’s Hospital Stanford

Was war Ihre wissenschaftliche Fragestellung?

Kann die 3D-Drucktechnik die Aufklärung bei Patienten und Behandlern über Mukoviszidose (Cystische Fibrose, CF) verbessern?

Warum ist das wichtig?

Für Patienten mit CF und deren Behandler kann es schwierig sein, sich ein Bild von den komplexen Veränderungen der Anatomie der Atemwege, die eine Schlüsselrolle in der Krankheit darstellt, zu machen. Mit einem klareren Bild der für CF charakteristischen anormalen Atemwegserweiterung, bekannt als Bronchiektasen, wäre man besser informiert und könnte Patienten besser in ihre CF-Versorgung einbinden. Aufgrund der komplexen anatomischen Form der Lunge und der bronchialen Atemwege können die traditionellen Methoden der dreidimensionalen Entwürfe durch maschinelle Bearbeitung oder Gießen und Formen allerdings sehr teuer und zeitaufwändig sein. Die Spitzentechnologie des 3D-Drucks hat Potential, auf diesen Bedarf einzugehen. 

Wie sind Sie vorgegangen? 

In der Publikation der Arbeitsgruppe von Mirza berichtet ein Kooperationsteam von Pneumologen, 3D-Druck-Spezialisten und Radiologen vom Einsatz des 3D-Drucks, um bei einem jungen Erwachsenen mit fortgeschrittener CF ein transparentes Lungenmodell mittels eines CT-Scans zu entwerfen. Das Modell wurde mit einem Materialstrahlverfahren gedruckt, eine Technologie, bei der dünne Schichten von flüssigem Kunststoffpolymer mit 3D-Druck-Mikronadeln aufgetragen werden, die dann mit UV-Licht gehärtet und in Schichten sukzessive aufgebaut werden, um ein dreidimensionales Modell (Abbildung 1) zu errichten. In diesem Lungenmodell wurden die Lungenarterien, die sauerstoffarmes Blut zur Lunge transportieren, blau abgebildet (der gewöhnliche Standard für sauerstoffarmes Blut), die Lungenvenen, die sauerstoffreiches Blut zurück zum Herzen transportieren, wurden rot abgebildet, die Atemwege weiß und andere Atemwegsgewebe durchsichtig. Der transparente Charakter dieses Modells zeigt eindeutig die anormalen Atemwege und deren Zusammenhang mit den Lungenblutgefäßen bei diesem CF-Patienten. Das Modell zeigt stark geweitete gerundete Stellen von Bronchiektasen (auch bekannt als zystische Bronchiektasen) im rechten Hauptlappen des Patienten, welcher eine Ansammlung von Pilzinfektionen aufweist. 

Was haben Sie herausgefunden?

Dieses physikalische Modell zeigt auf einfache Weise Phänomene, die auf einem Computerbildschirm (der klassische Weg, um CT-Aufnahmen anzusehen) nur schwer sichtbar sind, wie beispielsweise die Verengung von Blutgefäßen in Bereichen mit ausgeprägteren Lungenveränderungen. Dieser 3D-Druck wird verwendet, um medizinisches Personal an der Stanford Medical School über Mukoviszidose aufzuklären, und wird auch für die Patientenaufklärung verwendet werden.

Was bedeutet das, und warum muss man bei der Bewertung der Ergebnisse vorsichtig sein?

Der 3D-Druck ist Teil der digitalen Revolution in der Medizin, die verspricht, die CF-Patientenversorgung auf vielfältige Weise voranzutreiben. Wie in diesem Beispiel kann die Bereitstellung eindeutigerer Schulungsinstrumente dazu beitragen, das Training und das Engagement der Patienten zu verbessern. Obwohl das Standard-CT des Brustkorbs für die meisten Patienten ausreichend und Standard ist, kann der 3D-Druck in besonderen Fällen wertvoll sein. Derzeitige Einschränkungen für eine breitere Verbreitung des 3D-Drucks bei Lungenerkrankungen umfassen die eingeschränkte Verfügbarkeit von Expertenwissen, Technologie und Kosten. Ein Grund zur Vorsicht bei der Erstellung von 3D-gedruckten Modellen, insbesondere bei der Planung vor der Behandlung, besteht darin, dass erfahrene Techniker und Ärzte eng zusammenarbeiten müssen, um sicherzustellen, dass Bildinformationen ohne Verzerrungen oder wichtige Auslassungen korrekt in ein Modell übersetzt werden. Mit zunehmender Verbreitung des 3D-Drucks als Teil der fortschreitenden digitalen Revolution in Medizin und Industrie, werden die Kosten voraussichtlich sinken.

Wie geht es weiter?

Der 3D-Druck kann die schnelle Entwicklung neuer medizinischer Schulungsinstrumente erleichtern und ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer, kundenspezifischer Prothesen. Eine physische Darstellung der erkrankten Anatomie eines Patienten zu haben, kann Ärzten dabei helfen, sich besser auf potenziell komplizierte Eingriffe wie Bronchoskopie und Operationen vorzubereiten, beispielsweise vor einer Lungentransplantation. Obwohl diese Technologie noch nicht in großem Umfang verfügbar und implementiert ist, ist die Arbeit von Mirza et al. ein Fortschritt in Richtung dieser Ziele.

Quellen

Übersetzung von Nora Benedix und Dr. Uta Düesberg, 06.02.2020


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