Innovative 3D-Druckmodelle helfen Patienten mit Aortenaneurysmen – UKL-Gefäßchirurgen nutzen einzigartiges Verfahren

Bildet sich bei einem Patienten ein Aortenaneurysma, also eine Aussackung der Hauptschlagader, hilft nur eine rechtzeitige Operation. Denn es droht ein Riss der durch die Aufweitung zu dünnen Gefäßwände – eine Situation, die extrem lebensgefährlich ist. Je größer das Aneurysma ist, umso schneller muss operiert werden.

„Wir setzen dann an der aufgedehnten Stelle eine Prothese ein, die das Gefäß stabilisiert“, erklärt Dr. Daniela Branzan, Gefäßchirurgin am Universitätsklinikum Leipzig. „Damit diese Prothese bestmöglich passt, müssen wir diese bei komplizierten Fällen im Vorfeld ganz individuell anpassen“, so Branzan weiter.

Bisher erfolgte diese Anpassung entweder aufwändig und mit eingeschränkter Genauigkeit von Hand anhand der 2D-Bilder oder längerfristig und präziser durch eine externe Firma, die individuelle Prothesen fertigte. Für die Patienten bedeutete das Unsicherheit oder zwei bis drei Monate Wartezeit.

„Bei Notfällen haben wir diese Zeit aber nicht“, so Branzan. Deshalb war die Gefäßmedizinerin begeistert, als sie auf ein Projekt im eigenen Haus stieß: Eine Forschergruppe arbeitete an Anwendungen von 3D-Druckmodellen in der Neurochirurgie.

Grundlage dafür war die von UKL-Ärzten und Wissenschaftlern gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU entwickelte Technologieplattform „next3D“. Diese Plattform beinhaltet eine softwaregestützte Prozesskette, die medizinisches Bildmaterial auswertet und in dreidimensionale Druckvorlagen überträgt.

Das erste hier am UKL entwickelte Produkt war ein individuell passendes System für neurochirurgische Eingriffe, ein sogenannter Steroetaxie-Rahmen. Mit Hilfe dieses Geräts werden Elektroden hochpräzise im Gehirn platziert. Für die Forscher lagen die weiteren Anwendungsmöglichkeiten der Methode auf der Hand:

„Wir waren uns sicher, dass wir mit unserem Verfahren auch schnell und hochpräzise Gefäßmodelle der Aorta auf der Grundlage von Computertomografiedaten herstellen können“, beschreibt Dr. Ronny Grunert, Leiter der Forschungsgruppe.

Das Ergebnis gibt ihm recht: Mit dem neuen Verfahren können die Leipziger Gefäßmediziner jetzt innerhalb von 24 Stunden ein individuelles Gefäßmodell aus Kunststoff mit dem 3D-Drucker herstellen. Die Prothese kann auf dieses Modell wie auf eine Schablone aufgezogen und an Gefäßabzweigungen genau angepasst werden. Damit erhöhen sich die Chancen für eine erfolgreiche Operation des lebensgefährlichen Aneurysmas, denn die Behandlungszeit wird deutlich verkürzt.

Die Prothesen sitzen sofort perfekt und stabilisieren die gefährdete Stelle, ohne andere Gefäße zu behindern. Bereits sieben Mal kam die neue Methode in den letzten zehn Monaten bei Hochrisikopatienten, für die keine andere Behandlungsoption mehr bestand, zum Einsatz. Allen Patienten geht es heute gut. „Mit größter Wahrscheinlichkeit verdanken diese Patienten dem neuen Verfahren ihr Leben“, sagt Dr. Branzan.

Über diese erfreulichen Ergebnisse eines Einsatzes des 3D-Drucks in der Gefäßmedizin hat die Forschungsgruppe bereits in der renommierten Fachzeitschrift „JACC“ sowie auf mehreren Kongressen berichtet.

„Wir wissen daher, dass es außer uns derzeit nur ein weiteres Team in Seattle gibt, das ein teilweise ähnliches Verfahren einsetzt“, resümiert Gefäßchirurgin Branzan. Die Leipziger Methode ist damit einmalig, ein Patent ist bereits angemeldet. Im Juni wurde das Projekt zudem beim 15. IQ Innovationspreis Mitteldeutschland mit dem Preis der Stadt Leipzig ausgezeichnet.

Weitere Einsatzfelder geplant

Derzeit kommt die Methode nur bei Notfällen zum Einsatz, wenn alle anderen Möglichkeiten ausgeschöpft sind. Bevor das Verfahren regelhaft eingesetzt werden kann, sind noch einige Stufen für die Zulassung und Genehmigung zu nehmen.

Die Leipziger um das Forscherteam mit Dr. Ronny Grunert als technischen Leiter und Prof. Dirk Winkler als medizinischen Leiter sind optimistisch, dass sie bald 3D-Druckmodelle auch in anderen Bereichen der Chirurgie nutzen können. So planen die Neurochirurgen, die das Projekt vor zwei Jahren initiierten und die gemeinsam zahlreiche logistische und technische Hürden nehmen mussten, die baldige Anwendung „ihres“ Fertigungsprinzips in der Patientenenversorgung anderer Fachrichtungen.

Hochinteressant und innovativ sind hierbei die mittels 3D-Druck gefertigten individualisierten Stereotaxie-Systeme für zehntelmillimeter genaue Eingriffe am Gehirn. „Diese Geräte kommen besonders bei Hirnstimulationen, zum Beispiel bei Bewegungsstörungen wie Parkinson, aber auch Sucht und Zwangserkrankungen zum Einsatz und ermöglichen es uns, sehr präzise an bestimmten Stellen im Hirn erkrankte Strukturen mittels wohl dosierten Strömen zu behandeln und den Patienten die Kontrolle über ihre Bewegungen wiederzugeben“, erklärt Prof. Dirk Winkler, Spezialist für funktionelle Neurochirurgie am Universitätsklinikum Leipzig.

Die herkömmlichen standardisierten Geräte für diese Eingriffe, die am Kopf der Patienten befestigt werden, sind hochkomplex, erfordern eine lange Operationszeit und bieten aufgrund ihres Eigengewichtes von bis zu drei Kilogramm wenig Komfort.

„Mit unserem Verfahren stellen wir mit 3D-Druck innerhalb von 24 Stunden ein System her, dass nur noch 193 Gramm wiegt und alle relevanten Kenngrößen und OP-Koordinaten bereits integriert. Die Dauer der Operation, bei der die Patienten wach bleiben müssen, wird enorm verkürzt“, beschreibt Prof. Winkler. „Die Verschmelzung zusätzlicher hochpräziser Operationsinstrumente zu einer solchen ‚3D-Druck Einheit‘ ist weltweit absolut einmalig und für jeden Patienten ein Unikat.“

Derzeit wird dieses System noch nicht am Patienten eingesetzt, die ersten Anwendungen in der Praxis sind in den kommenden Monaten geplant. Bereits jetzt konnte das Modell bei einer ersten Demonstration anläßlich des Kongresses für funktionelle Neurochirurgien in New York im Juli überzeugen und sorgte für große Anerkennung. Ebenfalls angedacht sind Anwendungen in der Orthopädie und Unfallchirurgie – hier könnten 3D-Modelle von Ellbogen oder Wirbelkörpern den Operateuren die Planung der Eingriffe erleichtern.

„Unsere Orthopäden und Unfallchirurgen sind sehr interessiert und mit ersten Versuchen bereits am Projekt beteiligt“, so Dr. Grunert. Grundsätzlich kann er sich sehr viele Anwendungen in der Medizin vorstellen.

„Mit 3D-Druck sind wir hochflexibel und können verschiedenste Materialien nutzen, die auch die hohen Anforderung an sterile medizinische Produkte erfüllen“, erklärt der 3D-Druck Spezialist. Auf dieses Weise können Forschungsergebnisse schnell in die Praxis übertragen werden. Zudem findet die bisher im pharmakologischen und vor allem onkologischen Bereich schon Routine gewordene individualisierte Therapie damit dank des 3D-Drucks erstmals auch im chirurgischen Bereich Anwendung.