Unsere Endoplan®-Operationsplanungsmodelle werden mittels sogenannter "Rapid Prototyping" (RP)-Techniken hergestellt. Das ist ein Sammelbegriff für verschiedene Verfahren, mit denen computergesteuert auf der Grundlage eines die Form des Objekts beschreibenden Datensatzes ein mechanisches Ebenbild dieses Objekts erzeugt wird - in unserem Fall ein naturgetreues Modell.
Der Datensatz für die Herstellung eines Operationsplanungsmodells ist das Ergebnis der Analyse und Bearbeitung der Computertomographie - Schnittbildserien, in denen das vorgesehene Operationsgebiet möglichst detailliert abgebildet ist. Der Computer erkennt dabei zwar weitgehend die Grundstrukturen der anatomischen Objekte.
Da diese aber gerade durch die Erkrankung in ihrem normalen Erscheinungsbild sehr verändert sein können, ist für die Erzeugung eines wirklichkeitsgetreuen, den Erfordernissen der Chirurgen entsprechenden Planungsmodells umfangreiches medizinisch-klinisches Fachwissen und Erfahrung in der Auswertung von Röntgen-Computertomographien nötig.
Daher führen bei nordcom medical systems GmbH nur Ärzte diese Analyse durch. Der Medizinische Dienst der Krankenversicherung hat schon vor mehreren Jahren festgelegt, daß nur für Modelle, deren Ausgangs-Bildmaterial von ärztlichem Fachpersonal ausgewertet worden ist, die Herstellkosten von den Krankenversicherungen erstattet werden sollen. Wir begrüßen diese strenge Regelung ausdrücklich.
Anschließend an die Analyse und Auswahl der Strukturen, die die Grundlage für die Herstellung eines Modells sind, wird zunächst zur Kontrolle eine dreidimensionale Ansicht des Datensatzes erzeugt. Erfüllt dieser alle Anforderungen an Genauigkeit, Vollständigkeit und Auswahl der darzustellenden Regionen, schließt sich die eigentliche Herstellung des Modells an.
Entstanden die ersten Planungsmodelle noch mittels rechnergesteuerter Mehrachsfräsen aus Werkstoffen wie Polyurethanschaum, dominieren heute eher additive Verfahren die Auswahl der verfügbaren Methoden.
Beim Fräsen wird, einfach gesagt, von einem Block eines geeigneten Materials alles weggefräst, was nicht zum gewünschten Objekt gehört. Das klingt einfach, ist aber bei komplexen Formen wie z.B. einem Gesichtsschädel mit seinen Höhlungen und teils sehr tief liegenden Details nicht ganz einfach zu handhaben. Hohlräume lassen sich mit dieser Technik gar nicht wiedergeben.
Nichtsdestotrotz ist das Schaumstoff-Fräsen nach wie vor die optimale Methode für die Darstellung relativ großer Strukturen, wie z.B. des Beckens.
Wie die Bezeichnung schon verrät, wird hierbei der umgekehrte Weg gegangen: Man beginnt bei Null und fügt mittels ausgeklügelter Techniken, ausgehend von einem Startpunkt, überall dort Material hinzu, wo die Form des Objekts dies erforderlich macht.
Das älteste additive RP-Verfahren ist die sogenannte Stereolithographie. Ein ultraviolettes Licht ausstrahlender Laser härtet einen flüssigen Kunststoff, ein sog. Photopolymer, der unter UV-Bestrahlung fest wird, an der Oberfläche eines Reservoirs schichtweise. Zu Beginn des Prozesses befindet sich eine Trägerplatte direkt unter der Flüssigkeitsoberfläche. Hierauf "klebt" der Laser computergesteuert die unterste Schicht des späteren Objekts fest. Die Trägerplatte wird um einen Millimeter-Bruchteil abgesenkt, die nächste Schicht gehärtet und gleichzeitig mit der vorigen verbunden, die Trägerplatte wieder abgesenkt, usw., bis das gesamte Objekt aus Einzelschichten fertiggestellt ist. So können nahezu beliebig komplexe Formen hergestellt werden. Gleichzeitig mit dem eigentlichen Objekt entstehende Gerüste und andere Haltestrukturen gewährleisten dabei den mechanischen Zusammenhalt. Stereolithographie-Modelle sind meistens hochgradig transparent. So gelingt auch der Blick von außen in Hohlräume - vorausgesetzt, diese sind nicht ganz geschlossen, sodaß darin vorhandenes flüssiges Photopolymer nach dem Härten auch ablaufen kann. Wir setzen dieses Verfahren als Standardmethode bei Modellen in der MKG-Chirurgie sowie auch für die Handchirurgie ein. Das Material läßt sich mit knochenchirurgischen Instrumenten hervorragend bearbeiten. Die für unsere Endoplan®-Modelle eingesetzten Acrylat-Harze sind übrigens bislang als einzige von der FDA für den Einsatz im OP zugelassen worden.
Ähnlich der Stereolithographie, nur wird statt eines flüssigen Monomers ein thermoplastisch sinterbares Kunststoffgranulat verwendet, das schichtweise aufgetragen wird. Die gewünschten Strukturen entstehen durch das selektive Verschmelzen des Granulats, womit auch klar ist, daß der UV-Laser hier durch einen Infrarotstrahlung emittierenden Laser ersetzt ist. Am Ende des Prozesses entnimmt man der Maschine ein thermisch "gesintertes" Objekt, reinigt es von dem noch anhaftenden (pulverförmigen) Granulat und kann anschließend sofort damit weiterarbeiten. Ein großer Nachteil für die chirurgische Simulation: Chirurgieübliche Werkzeuge wie oszillierende Sägen, Bohrer und andere erzeugen an der Bearbeitungsstelle Wärme, die das Material zum Schmelzen und Verkleben mit dem Instrument bringen kann. Nach dieser Erkenntnis sank die Beliebtheit des Materials in der Chirurgie sehr schnell.
Ein weiteres Verfahren, das thermoplastische Kunststoffe in Form bringt. Eine feine Heizdüse, wie bei einer Schmelzklebepistole, wird von einem Rechner bahnenweise durch den Raum geführt und trägt dabei schichtweise Material auf, das letztlich das gesamte gewünschte Objekt wiedergibt. Wegen der thermoplastischen Eigenschaften gelten die gleichen Einschränkungen wie beim Laser-Sintern.
Sehr interessant für sehr kleine, feine Details, und auch für Objekte, die beispielsweise als Gußform für ein Implantat dienen sollen, ist das Wachsdruckverfahren. So, wie ein Tintenstrahldrucker Tintentröpfchen in dem darzustellenden Muster auf ein Papier bringt, werden beim Wachsdruck kleinste Wachströpfchen schichtweise übereinandergelegt. Die entstehenden Objekte sind allerdings sehr spröde, mechanische Belastungen vertragen sie normalerweise kaum.
Hochinteressant für medizinische Anwendungen ist die Gruppe der Verfahren, die wir hier einmal als 3D - Drucken zusammenfassen. Wie beim Laser-Sintern wird ein als Granulat vorliegender Werkstoff schichtweise aufgebaut, die Bindung der Granulat-Teilchen geschieht dabei aber nicht über eines Verschmelzungsvorgang, sondern durch Aufbringen eines flüssigen Klebers oder Reaktionspartners mittels eines Tintenstrahldruckkopfs. Gips-ähnliche mineralische Materialien können einfach mit Wasser gebunden werden, Stärkepulver läßt sich mit Eiweißlösungen lokal binden, metallische Werkstoffe können mittels eines Klebers in Form gebracht werden. Die so entstehenden Objekte sind aufgrund ihrer Porosität sehr saugfähig. Dieses kann man ausnutzen, um sie z.B. mit Kunstharz zu sättigen und sie so mechanisch sehr belastbar zu machen. Die mineralische Grundlage des Materials ist der von Knochen nicht unähnlich, knochenchirurgische Instrumente lassen sich hier sehr gut einsetzen.