Einführung in den 3D-Druck und die Operationsplanung
Geschichte des 3D-Drucks
Die ersten 3D-Drucker wurden in den 1980er Jahren gebaut (1981 – Hideo Kodama – Fotopolymerdruck, 1984 – Charles Hull – Erfindung der Stereolithographie, 1988 – Scott Crump – FDM-Technologie, Kunststofffaserdruck). Seitdem haben sich die 3D-Druckverfahren in vielerlei Hinsicht weiterentwickelt und die Technologie insgesamt ist erheblich gewachsen. Die jüngste Ausweitung des 3D-Drucks erfolgte nach dem Auslaufen mehrerer wichtiger Patente aus den 1980er Jahren, wodurch der 3D-Druck heute viel verfügbarer ist. Unternehmen, die in den 1980er Jahren mit der Technologie begannen, wuchsen von kleinen Start-ups, die nur von wenigen Menschen als wichtig angesehen wurden, zu Multimillionen-Dollar-Konzernen (STRATASYS, EOS, 3D-Systeme und viele andere). Es gibt eine große Vielfalt fortschrittlicher 3D-Drucktechnologien, die das Drucken aus einer Vielzahl von Materialien ermöglichen, und die Entwicklung schreitet exponentiell voran.
3D-Druck in der Medizin
Wie in vielen anderen Bereichen hat der 3D-Druck auch im Gesundheitswesen weite Verbreitung gefunden. Da jeder Mensch individuell und einzigartig ist, hat der 3D-Druck als Möglichkeit zur Herstellung maßgeschneiderter, individualisierter Produkte eine klare Anwendung im Gesundheitswesen. Keine andere CAD/CAM-Herstellungsmethode bietet so viele Möglichkeiten zur Herstellung beliebiger Objektarchitekturen und so viele Kombinationen verschiedener Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Ein interessanter Bereich des 3D-Drucks ist auch seine Anwendung in den relativ neu etablierten Bereichen der regenerativen Medizin und des Tissue Engineering. In den letzten Jahren und buchstäblich Monaten wurden viele der undenkbaren Meilensteine in der biologischen Geweberegeneration erreicht. Der 3D-Druck spielt in diesen Bereichen eine Schlüsselrolle, und seine Nutzung und die Zusammenarbeit mit Fortschritten in biochemischen, pharmakologischen und anderen medizinischen Wissenschaften wie Genetik, Histologie oder Molekularbiologie dürften in den nächsten Jahrzehnten die Regeneration ganzer Organe ermöglichen. Der Einsatz des 3D-Drucks im Gesundheitswesen ist wirklich umfangreich und es ist schwierig, eine medizinische Disziplin zu finden, in der er keine innovativen Anwendungen bietet. Für die Zahnmedizin ist der Bereich des 3D-Drucks besonders interessant, sei es in der Prothetik, Endodontie oder Implantologie, oder auch zur Planung chirurgischer Eingriffe in unserer Schwesterdisziplin, der Kiefer- und Gesichtschirurgie.
Operationsplanung in der Kiefer- und Gesichtschirurgie
In chirurgischen Disziplinen, in denen häufig Operationen an komplexen anatomischen Strukturen durchgeführt werden, ist der Einsatz des 3D-Drucks eine hervorragende unterstützende Hilfe für medizinisches Fachpersonal. Es kann zur Herstellung chirurgischer Gewebemodelle verwendet werden, die präoperativ ausgewertet werden. Der Chirurg hat eine bessere Chance, sich vorab mit der operierten Struktur vertraut zu machen, diese visuell und haptisch zu beurteilen und sich auf den Eingriff vorzubereiten. Diese Struktur kann entweder virtuell vor dem Drucken oder zusätzlich physisch als gedrucktes Modell in verschiedene Querschnitte unterteilt und darauf eine komplexe innere Anatomie untersucht werden. Bei Verwendung geeigneter Materialien kann der chirurgische Eingriff vorab an der gedruckten Struktur durchgeführt werden, was bei der Vorbereitung komplexer Operationen und bei der Ausbildung und Schulung verschiedener Eingriffe wichtig ist. Die gedruckte Struktur kann auch als Kommunikationsmittel für Arzt und Patient dienen.
Grundvoraussetzung für den Einsatz dieser Techniken ist die Gewinnung spezifischer 3D-Daten auf Basis von 3D-Röntgendiagnostikuntersuchungen und Oberflächenscantechniken. Um ein virtuelles 3D-Computermodell anatomischer Strukturen zu erhalten, werden im Bereich der Kiefer- und Gesichtschirurgie am häufigsten 3D-Röntgenaufnahmen wie MSCT (Multi-Slice-Computertomographie) oder CBCT (Cone-Beam-Computertomographie) eingesetzt. In geringerem Umfang kommen auch MRT-Untersuchungen oder 3D-Ultraschall zum Einsatz. Auch in der Kiefer- und Gesichtschirurgie und Zahnheilkunde wird heute das Oberflächenscannen eingesetzt, insbesondere mit Intraoralscannern oder Laborscannern (Trios, iTero, Medit, Kodak), die durch Reflexion von Licht an der Oberfläche gescannter Strukturen eine 3D-Datei erzeugen. Der Einsatz von Gesichtsscantechniken und die Verknüpfung dieser Daten mit den anderen genannten Modalitäten wird voraussichtlich auch in Zukunft zunehmen.
Die aus diesen Diagnosemodalitäten gewonnene 3D-Struktur (meist im DICOM-Format) wird durch Software (z. B. Anatomage, Blue Sky Bio, 3DSlicer, ITK-SNAP) generiert. Anschließend wird die generierte 3D-Datei (meistens im STL-Format) in einer 3D-Modellierungssoftware (z. B. Materialise Mimics, Blender, Meshmixer) entsprechend modifiziert (Entfernung von Artefakten, Entfernung nicht benötigter Bereiche, Glättung usw.) und dann zu einem verarbeitet Format, das von einem bestimmten 3D-Drucker gelesen werden kann. Vereinfacht ausgedrückt bearbeiten und kombinieren wir das Objekt, das wir aus den durch 3D-CT generierten Schnitten erhalten, zu einem einzigen Modell und schneiden es dann virtuell wieder in Schichten, sodass der 3D-Drucker diese Schichten physisch übereinander drucken kann. Beim 3D-Druckverfahren entsteht das Objekt also durch schichtweises Verkleben. Dieser Schichtübertragungsprozess ist bei allen Arten von 3D-Druckern üblich. Dank dieses Prinzips ist es möglich, Objekte mit sehr komplexen Geometrien herzustellen, was unter anderen Produktionsverfahren einzigartig ist. Diese vier wichtigen Schritte bei der Modellherstellung – Softwaresegmentierung (normalerweise aus dem DICOM-Format), Feinabstimmung und Bearbeitung des Modells, virtuelles Schneiden des Modells für den 3D-Druck und Drucken selbst – bestimmen auch die Maßgenauigkeit und den Detaillierungsgrad des gedruckten Objekts . Jeder mögliche Fehler in diesen Schritten führt zu Ungenauigkeiten.
Am Ende dieses Prozesses wird ein Modell ausgedruckt, das zur Vorbereitung der Operation für das Operationsteam, zur Bewertung und eventuellen Erprobung des Eingriffs sowie zur Vorbereitung der Operationsbehelfe dient. Im Rahmen der Softwareanalyse der 3D-gedruckten anatomischen Struktur ist es auch möglich, chirurgische OP-Schablonen zu erstellen, die für die physische perioperative Steuerung des Eingriffs wichtig sind. Sie können verwendet werden, um den Schnitt am Hartgewebe an einer vorgegebenen Stelle, Tiefe und in einem vorgegebenen Winkel präzise zu führen, die Implantate präzise einzusetzen oder die Resektion des Hartgewebes präzise zu steuern. Es ist auch möglich, verschiedene Werkzeuge vorab anhand des 3D-gedruckten Modells vorzubereiten, beispielsweise eine Rekonstruktionsplatte bei großen resektiven Operationen. Diese Geräte wie Rekonstruktionsplatten oder Titan-Hartgewebeersatz können manuell auf den 3D-gedruckten Strukturen hergestellt oder auch direkt im 3D-Druck hergestellt werden.
Biovoxel-Technologien ermöglichen das Drucken von plastischen Organ- und Gewebestrukturen.