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3D-gedruckter Thorax für Trainingszwecke

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Ingenieure und Mediziner der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg haben gemeinsam ein Ausbildungs- und Trainingsmodell für Operationen in der menschlichen Brusthöhle entwickelt.

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Das mit einem 3D-Drucker aus realen Patientendaten erstellte Modell soll künftig sowohl in der Lehre von Studierenden als auch in der Thoraxchirurgie als realistisches Trainingsmodell für Chirurgen eingesetzt werden. Darüber hinaus wird es auch in der Ausbildung von Pflegekräften oder für den Unterricht in der Medizintechnik eingesetzt werden können, so Professor Dr. med. Thorsten Walles, Leiter der Thoraxchirurgie. Thorsten Walles, Chefarzt der Thoraxchirurgie am Universitätsklinikum Magdeburg und Mitinitiator des Projektes "Magdeburger Thoraxmodell".

"Lungenoperationen zum Beispiel sind technisch hochkomplexe Eingriffe", erklärt der Chirurg. "In der minimalinvasiven Chirurgie stellt der Brustkorb mit seinem knöchernen Panzer aus Rippen, Brustbein und Wirbelsäule und den empfindlichen und hochsensiblen inneren Organen, die er schützt, eine besondere Herausforderung für das Behandlungsteam dar", erklärt Professor Dr. med. Thorsten Walles, Leiter der Thoraxchirurgie. Thorsten Walles, Leiter der Thoraxchirurgie am Universitätsklinikum Magdeburg. "Die minimalinvasive Thoraxchirurgie erfordert daher besondere psychomotorische Fähigkeiten der Chirurgen, die außerhalb des Operationssaals erlernt werden müssen. Bislang fehlte es an guten Modellen dafür."

Laut Walles finden in Deutschland jährlich schätzungsweise 50.000 Lungenoperationen statt. Nicht zuletzt wegen der anhaltenden Zunahme von Lungenkrebsfällen steigt diese Zahl jedes Jahr weiter an. "Dank der technischen Entwicklungen der letzten Jahre können heute bereits viele diagnostische und ca. 30 Prozent der größeren Brustkorboperationen, bei denen ganze Lungenabschnitte entfernt werden, als Schlüssellochoperationen minimalinvasiv durchgeführt werden." Das Ziel der Thoraxchirurgen ist es, möglichst vielen Patienten ein minimalinvasives Verfahren anbieten zu können. Dies soll unter anderem durch den zunehmenden Einsatz von Operationsrobotern in Zukunft erleichtert werden. Für Thoraxchirurgen bedeutet dies, dass sie neue Operationsverfahren erlernen und trainieren müssen, um sie dann sicher bei ihren Patienten einsetzen zu können.

Das von Professor Walles und Ingenieuren des Instituts für Verfahrenstechnik und Qualitätsmanagement der Universität zu Trainingszwecken entwickelte so genannte "Magdeburger Thoraxmodell" bildet die räumlichen Verhältnisse im menschlichen Brustkorb exakt nach. Ein Prototyp wurde aus anonymisierten Patientendaten generiert und ist damit eine 1:1-Kopie eines menschlichen Brustkorbs.

"Die Herausforderung, die uns das Lungenzentrum der Universität gestellt hat, haben wir gerne angenommen", erklärt Fabian Laufer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Verfahrenstechnik & Qualitätsmanagement der Fakultät für Maschinenbau. Der Nachwuchswissenschaftler und sein Team erhielten anonymisierte Patientendaten aus der Bildgebung von Computertomographien des Universitätsklinikums. Diese wurden computergestützt mit verschiedenen Softwareprogrammen aufbereitet, analysiert und ein herkömmlicher 3D-Drucker mit den abgeleiteten Modellparametern gefüttert. Anschließend wurde ein etwa 50 x 40 Zentimeter großes Brustkorbmodell aus einer Art widerstandsfähigem Kunststoff (PETG) gedruckt. Dieser ist desinfizierbar und kann auch mit Modellen der Organe der Brusthöhle ergänzt werden. Abgerundet wird es durch eine stabile Außenhülle, die die Muskel- und Weichteilschicht eines Patienten exakt nachbildet und in Zusammenarbeit mit dem Studententeam UMD Racing der Universität hergestellt wurde. Nach Ansicht von Professor Walles ist dieses äußere Detail wichtig:

"In der Roboterchirurgie gibt es Standards für die Zugangswege zur Lunge und den anderen Organen der Brusthöhle, die aber gelehrt und gelernt werden müssen. Bislang geschieht dies anhand von Modellen für die Bauchchirurgie. Die sind aber sehr ungenau", sagt der Mediziner. "Was uns fehlte, war ein Modell, das die Situation im Brustkorb naturgetreu abbildet, mit blockierenden Rippen und inneren Organen an Ort und Stelle." Mit Modellen wie diesem wird es in Zukunft möglich sein, sowohl in der Lehre und Ausbildung als auch im klinischen Alltag zu trainieren und das Erlernen von chirurgischen Abläufen zu standardisieren. "Junge Chirurgen werden ihre Lernkurve hinter sich haben, bevor sie mit Patienten in Berührung kommen, und erfahrene Chirurgen werden zusätzlichen Spielraum für die Entwicklung neuer operativer Ansätze gewinnen."

Das Modell wurde bereits auf medizinischen Fachmessen der Öffentlichkeit vorgestellt und ist laut Walles auf große Resonanz gestoßen. Erste Unternehmen möchten es bereits für medizintechnische Demonstrationszwecke oder für die praktische Ausbildung ihrer Implantate nutzen. Weitere Modelle sind bereits in der gemeinsamen Planung von Ärzten und Ingenieuren. "Für die verschiedenen chirurgisch bedeutsamen Herausforderungen wollen wir in Zukunft auch kleinere "weibliche" und "jugendliche" Versionen des Brustkorbmodells entwickeln", erklärt Fabian Laufer. "Basierend auf dem eingesetzten additiven Fertigungsverfahren können in Zukunft zusätzlich individuelle Kundenwünsche bei der Umsetzung spezifischer Funktionen und Merkmale berücksichtigt werden."