Monthly Archives: Dezember 2017

Kostengünstige, hochpräzise Methode zum 3D-Druck von patientenspezifischen Lebermodellen von chinesischen Forschern entwickelt

Patientenspezifische Modelle verschiedener Organe haben sich in der Chirurgie als äußerst hilfreich erwiesen. Selbst langjährig praktizierende Chirurgen profitieren davon, wenn sie die zu behandelnde Leber 1:1 vorab vor sich sehen. Sie können so die komplizierten, inneren Strukturen berühren, untersuchen und das Ausmaß und die genaue Position des Problems ermitteln und verstehen. Auch der Patient profitiert davon, da der Arzt ihm so seinen Zustand und die Behandlung besser verständlich machen kann.

Unterschiedliche Herangehensweisen

Einige Forscher haben bereits an der Erstellung solcher 3D-gedruckten Modelle gearbeitet. Bei Forschern in Minnesota lagen die lebensechten Texturen im Vordergrund. Beim Team von Forschern aus China, unter der Leitung von Professor Cheng Shujie, vom Krankenhaus der Universität Hebei, ist der wesentliche Gedanke der, die komplexe Anatomie der Organe zu geringeren Kosten als bisher zu reproduzieren.

Die Modelle sind sehr nützlich für Arzt und Patient.
Die Modelle sind Nutzen sowohl dem Arzt, als auch dem Patienten (Bild © Affiliated Hospital of Hebei University).

Das im chinesischen Hebei ansässige Team baute unter der Leitung von Professor Shujie Cheng seine Forschung auf die Arbeit des chinesischen Zhujiang-Krankenhauses auf, sowie der japanischen Tsukuba Universität und der Jagiellonen-Universität in Polen. Dr. Ke Zhang, Mitglied des Komitees der Chinese Medical Doctor Association und Chirurg, wies darauf hin, dass sich das gesamte Team rund 10 Monate lang der Arbeit an diesem Projekt widmete. Zhang bezeichnete die Entwicklung als innovative Optimierung und eine Kontrolle der Genauigkeit in beinahe jedem Schritt, heißt es in einem Artikel auf 3dprint.com.

„Die Errungenschaften der drei oben erwähnten Teams sind für die Forschung des angegliederten Krankenhauses der Universität Hebei sehr aufschlussreich. Unterdessen hofft das Cheng Shujie-Team, dass die Methode eine zuverlässige Alternative für die Leberchirurgen während des langen Prozesses der Popularisierung der Multi-Düsentechnologie sowie des Preisverfalls bieten und weitere Subjektanwendungen anregen kann“, erklärte Zhang.

Vorteil für Arzt und Patient

3D-gedruckte Modelle, die die gesamte Leber zeigen, einschließlich dem inneren Gewebe und der Strukturen, haben nachweisbar Vorteile für Ärzte. Die Forschung des Teams aus dem Hebei Krankenhaus zeigte, dass sich die chirurgische Sicherheit verbessert, die intraoperative Hämorrhagie reduziert wird und dass weniger postoperative Komplikationen entstehen. Professor Chengs Team versuchte auch auf andere Forschungsansätze zu setzen, die sich auf kostengünstigere Erstellungsmethoden konzentrieren, da industrieller 3D-Drucker mit Multi-Color- und Multi-Material-Fähigkeiten selbst ziemlich kostspielig sind.

Die Modelle kosten 80 bis 90 Dollar
Die gedruckten Modelle kosten zwischen 80 und 90 Dollar (Bild © Affiliated Hospital of Hebei University).

Und bei Kosten von 4500 US Dollar für ein genaues Lebermodell im Maßstab 1: 1, mit unpräziser Darstellung der komplizierten Strukturen ist eine komplexe Planung der Leberchirurgie kaum rentabel. Um die Kosten zu senken und eine hohe Auflösung in ihren medizinischen Modellen zu erreichen, wandte sich das Team der Stereolithographie zu.

Zhang erklärte,“erstmals verbrachten wir weniger als vier Stunden damit, die gesamte innere Struktur und die Oberfläche der Leber mit einer Schichtdicke von 0,1 mm mit superschnellem lichtempfindlichen Harz unter Verwendung von zwei Hochgeschwindigkeits-LCD-SLA-3D-Druckern, die mit einem Flüssigkeitskühlsystem ausgestattet sind, zu drucken. Nach einem präzisen Match durch Anwendung der verbesserten traditionellen Transfer-Spritzgusstechnologie, vervollständigten wir den Herstellungsprozess von patientenspezifischen medizinischen Modellen mit transparentem Harz. Als die innere Struktur der Leber gedruckt wurde, waren bösartige Tumore im Modell deutlich zu erkennen. Verglichen mit der gemessenen Entfernung vom 3D-Computermodell, die Fehler der gemessenen Unterschiede zwischen dem gedruckten Modell und seiner benachbarten Blutgefäße betragen alle weniger als 0,7mm. Mit der Prämisse, die Druckzeit drastisch zu verkürzen und die Druckgenauigkeit zu verbessern, wurden die Kosten für die Modellherstellung weiter gesenkt, was die Effizienz und Genauigkeit der Operation erheblich gesteigert hat.“

Die entwickelte Methode ermöglicht die Herstellung eines lebensgroßen, detaillierten Lebermodells für ungefähr 80 bis 90 US Dollar. Genauigkeit und Auflösung ergeben sich aus der Verwendung der SLA-3D-Drucktechnologie, die geringere Kapital- und Materialkosten als industrielle Multimaterialtechnologien hat, während nur ein einziger Montageschritt erforderlich ist, der eine geringe Fehlerquote aufweist.

Eine effiziente Methode trotz kleiner Mängel

Die Methode ist nicht perfekt. Einer der Mängel liegt in der Nachbearbeitung, da jedes Modell nach Abschluss des Druckauftrags und des Harzes derzeit etwa 30 Stunden Arbeit benötigt. Ein weiterer Nachteil liegt in komplexeren Modellen, da ein extrem kompliziertes Äußeres, die Zeitkosten der Methode zutiefst erhöht. So verlieren sich die Produktionsvorteile zur Unterstützung der Mehrdüsen-Drucktechnlogie. Dennoch werden 80% der komplexen Bedürfnisse der Leberchirurgie durch diese Produktionsmethode erfüllt.

„Die größte Bedeutung der Methode liegt vermutlich in der deutlichen Kostensenkung bei maximaler Genauigkeit und der Erhöhung der Druckgeschwindigkeit, was die breite Anwendung des 3D-Drucks in der Leberchirurgie ermöglicht“, erklärt Zhang.

Unterschiede zum Original minimal
Die Unterschiede zum Original sind gering (Bild © Affiliated Hospital of Hebei University).

Fertige mit dieser Methode erstellte Modelle umfassen eine präzise Reproduktion der Leber selbst, einschließlich der präzisen Oberfläche und des durchsichtigen Leberparenchyms, des genauen Tumors des Patienten und des vollständigen Drei-Systemlevels 5-6 Gefäßnetzes, wo sich das Hauptgefäß auf Level 1 befindet. Gefäßenddurchmesser haben die Grenze der CT-Schnittauflösung erreicht und bieten eine Genauigkeit im Submillimeterbereich.

„Nach wiederholten und gründlichen Überprüfungen ist Professor Cheng Shujie der Ansicht, dass die derzeit vom angegliederten Krankenhaus der Universität Hebei entwickelte Herstellungsmethode für ein transparentes, vollfarbiges und hochpräzises präoperatives Leberplanungsmodell geeignet ist, eine Reihe extrem schwieriger genaue und personalisierte Leberoperationen „, schreibt Zhang. „Und es könnte für die Herstellung komplizierterer Modelle verwendet werden, nachdem es durch die derzeitigen Methoden verbessert wurde, die die meisten komplizierten und schwierigen Operationen, die Chirurgen für unmöglich halten, in Möglichkeiten umwandeln können.“

Diese Methode kann auch in anderen Bereichen der Medizin eingesetzt werden. Orthopädie, Neurochirurgie, Geburtshilfe und Gynäkologie, kosmetische Chirurgie und Stomatologie gehören unter anderem zu den angedachten Bereichen. Die 3D-gedruckten Modelle ermöglichen es den Anbietern von medizinischer Versorgung, die Anatomien direkt und
persönlich zu verstehen und sich auf Prozeduren vorzubereiten.
Wenn es Neuigkeiten zu diesem Thema gibt, werden wir darüber berichten. Abonnieren Sie unseren Newsletter und bleiben Sie auf dem Laufenden. Organovo und Viscient Biosciences widmen sich ebenfalls der Behandlung von Lebererkrankungen mithilfe des 3D-Druckers. Das israelische Unternehmen CollPlant erhielt 2017 ein Patent für seine Biotinte zum 3D-Druck von Gewebe und Organen.

Student der Purdue University fertigt mit 3D-Druckern funktionsfähiges Miniaturmodell einer Achterbahn

Mark Schmotzer ist nicht nur Diplom-Ingenieur und Achterbahn-Enthusiast, sondern auch bei Ford beschäftigt und an der Purdue University als Student eingeschrieben, wo er seinen Master in Engineering erreichen möchte. Dies hinderte ihn aber nicht daran, in seiner Freizeit ebenfalls noch an technischen Projekten zu tüfteln.

Vor etwa vier Jahren begann er, sich für den 3D-Druck zu interessieren. So kam er auf die Idee, eine Achterbahn als 3D-gedrucktes Modell anzufertigen. Als Vorbild diente ihm die Achterbahn Invertigo, die im Themenpark „King’s Island“ unweit von Cincinnati aufgebaut war. Maßgabe für das Projekt seiner Wahl war, dass dieses in der eigenen Garage realisiert werden konnte. Natürlich konnte er aber auf die Unterstützung der Universität zurückgreifen.

Modell der Achterbahn.
Hier sehen Sie die graphische Darstellung der Achterbahn (Bild © fabbaloo.com)

Zuerst erstellte er mit der Simulationssoftware NoLimits Coaster Simulator 2 ein virtuelles Replikat der Invertigo Achterbahn und übertrug die 3D-Koordinaten in eine EXCEL-Datei. Diese nutzte er dazu, um das Design auf die physikalisch realisierbare Größe zu verkleinern. Im nächsten Schritt übertrug er die Koordinaten in die 3D-Software Programm Solidworks. Die besondere Schwierigkeit lag hier darin, das Gleisprofil sowie die Tragstruktur zu entwickeln und dann Modelle für die Züge, für die verschiedenen Mechanismen und die Bahnhöfe hinzuzufügen. Das 3D-Modell wurde dann in verschiedene Ebenen geschnitten und die Daten an FDM-3D-Drucker übermittelt. Zum Einsatz kamen ein Lulzbot Taz 5 und 6 für das Streckenprofil der Achterbahn sowie ein Flashforge Finder und ein Mendle-Max 1.5 3D-Drucker, mit denen die Stützstrukturen und die Züge hergestellt wurden. Nachdem das Modell fertig war, entschied sich Schmotzer, die Strecken neu zu gestalten, damit die Achterbahn funktioneller würde. So nahm er auch Änderungen am Layout der Strecke vor.

Erfinder mit 3d-gedruckter Modellachterbahn.
Der Erfinder Mark Schmotzer mit seiner 3D-gedruckten Modellachterbahn (Bild © fabbaloo.com).

Für den Antrieb wird eine Arduino Mega-Platine eingesetzt. Schmotzer entwickelte hier ein elektrisches System, welches aus 13 Tasteneingängen, 9 Servomotoren (davon 6 auf der Schiene und 3 in der Station), 2 DC-Motoren sowie 12 LED-Leuchten besteht. Die Errichtung und die Funktion des Aufzugs- und Kettensystems gestaltete sich etwas schwieriger. Hier kommt ein Magnetsystem zum Einsatz, das ein Ein- und Auskuppeln zum richtigen Zeitpunkt ermöglicht. Dieses System unterscheidet sich von der Hebelarmkonfiguration der echten Inverto-Achterbahn. Für die Programmierung des Systems wurden insgesamt 650 Codezeilen benötigt. Ein Kinderspielzeugauto nutzt ebenfalls die Arduino-Technologie und wurde zudem mit einem 3D-Drucker gepimpt, worüber wir ebenfalls berichtet haben.

Schmotzer wurde mittlerweile von einigen Unternehmen angesprochen, die ihn um Hilfe beim Bau von eigenen Modellreihen baten. Er ist nun optimistisch, etwa aller vier Monate ein neues 3D-gedrucktes Modell einer Achterbahn fertigstellen zu können.

Ein ausführliches Interview mit Mark Schmotzer können Sie in englischer Sprache im fabbaloo-Blog nachlesen.

3D Printing Industry Review of the year August 2017

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Mit einer neuen Kuchenback-Technik, bestehend aus einer Verbindung von traditioneller Konditorkunst, mathematischen Algorithmen sowie 3D-Drucktechnologien, fabriziert die ukrainische Konditormeisterin Dinara Kasko exquisite Tortenkreationen der anderen Art. 3D-gedrucktes Essen… was uns früher beinahe unmöglich vorkam ist mittlerweile längst keine Seltenheit mehr. Dies beweisen uns Projekte wie „Pixsweet“, eine Plattform welche 3D-gedrucktes Eis am Stiel verkauft, Systeme […]

Der Beitrag erschien bei 3Druck.com unter der URL Konditorin stellt Torten mit 3D-Druck und mathematischen Algorithmen her