3D-Scannen und Drucken, um Kindern mit Ohrdeformitäten zu helfen

Über 100.000 Kinder werden jährlich ins Royal Hospital for Sick Children (auch bekannt als “The Sick Kids”) eingeliefert. Das in Edinburgh gelegene Krankenhaus kümmert sich um Kinder wie Ellie, die an einer angeborenen Fehlbildung am elastischen Knorpel des Ohres leidet. Ärzte sprechen hier von „Mikrotie“ – was als medizinischer Terminus aus dem Lateinischen übersetzt so viel bedeutet wie „außergewöhnliche Kleinheit des Ohres“. Bei manchen von dieser Erscheinung Betroffenen kann die Ohrmuschel derart klein ausfallen, dass sie als gar nicht vorhanden erscheint. Aufgrund der Unterentwicklung sowohl des Mittelohrs als auch des äußeren Gehörgangs geht Mikrotie häufig mit Hörbeeinträchtigungen unterschiedlichen Ausmaßes einher. Eins von 6.000 Babys wird im Schnitt mit diesem Symptom geboren, und in Schottland leiden mindestens zehn junge Patienten an ähnlichen Problemen wie Ellie. Und das sind nur die Zahlen für Schottland in einem einzigen Jahr.

Eingang des Royal Hospital for Sick Children.

Krankenpfleger Kerr Clapperton benutzt Artec Spider, um Ellies Ohr in Artec Studio zu scannen.

Glücklicherweise ist Edinburgh die Heimatstadt von Ken Stewart, der, abgesehen von diversen anderen beruflichen Ämtern, das örtliche „Ear Reconstruction Service of Scotland“ leitet. Dort verfeinert er Methoden, um rekonstruktive Chirurgie sowohl für Kinder als auch Erwachsene mit Ohrfehlbildungen anzuwenden.

Ken Stewart, leitender NHS-Kliniker und Chef von Schottlands „Ear Reconstruction Service“ (links). Ken Stewart untersucht einen Patienten (recht).

Seit Jahren wendet Ken verschiedene Techniken an, um sich den vielfältigen Formen der Ohren seiner Patienten anzunähern. Eine der populärsten Methoden ist, Knorpel aus den Rippen der Patienten zu entnehmen und daraus etwas Ohrförmiges zu modellieren. Manchmal praktiziert und lehrt Ken auch unter Zuhilfenahme anderer Materialen, wie zum Beispiel Wachs, Silikon oder sogar Äpfeln. „Ich liebe es Ohren zu rekonstruieren“, sagt er in einem Interview mit The Scotsman. 2014 begann er, sich mit 3D-Visualisierung zu beschäftigen – damit sollten die präoperativen Abläufe der Ohr-Nachbildung vereinfacht werden. Ken gesteht: „Angesichts all der verfügbaren Technik mussten wir diese Arbeitsschritte verbessern. Das Team für Ohr-Nachbildungen beim Royal Hospital for Sick Children hat den Einsatz neuer hilfreicher Technologien vorangetrieben." Der NHS in Lothian, wo Ken arbeitet, hatte bereits Erfahrung mit dem Einsatz von 3D-Visualisierung für das Entwerfen von künstlichen Hüften sowie für medizinische Untersuchungen. Dort war man ebenfalls an einer Verfeinerung der Arbeit mit nachgebildeten Ohren interessiert.

Ken wandte sich an Patrick Thorn & Co., Artecs britischem Gold-Partner. Ausgehend von seiner langen Erfahrung mit dem Design und Re-Design von Ohrprothesen und -implantaten war Ken skeptisch, ob die aktuellen Artec-Scanner tatsächlich ein menschliches Ohr umfassend 3D-rendern können. Um ihn vom Gegenteil zu überzeugen, fertigte Patrick eine Reihe von Nachbildungen an, mit denen Artecs Kapazitäten in hochauflösender Visualisierung demonstriert werden konnten. Patrick scannte die Ohren seiner Nachbarn und seines Enkels. Nach einigen optischen Veränderungen mit Hilfe der Scanning-Software Leios Elaborations von EGS ließ er die Muster mit dem 3D-Drucker Roland ARM-10 ausdrucken. Ken und sein Team waren von den Ergebnissen begeistert und entschieden sich für Artec Spider – einen hochauflösenden 3D-Scanner, ideal geeignet zum Erfassen von Oberflächen innerhalb des Gehörgangs sowie im Bereich zwischen Ohr und Kopf.

Veränderungen in Leios.

Vor-Druck-Anpassungen in Roland.

Nachdem die Sick Kids Friends Foundation erfolgreich Spenden gesammelt hatte, konnte The Royal Hospital for Sick Children schließlich einen Artec Spider erwerben. Innerhalb eines Nachmittags wurde der Scanner installiert, und am folgenden Tag begann die praktische Ausbildung. Ken merkt an: „Mit 3D-Scannern zu arbeiten, war neu für uns, und da wir ohnehin den ganzen Tag mit unseren Routinepatienten zu tun haben, blieb wenig Zeit sich einzuarbeiten. Dennoch: Dank des Trainings und der zusätzlichen Erläuterungen von Patrick können wir die Technik vom Scannen bis zum 3D-Druck relativ sicher bedienen. Das Modell wird am Ende sterilisiert und direkt ausprobiert, damit die Genauigkeit unserer Nachbildung verbessert werden kann.“

Der Einsatz von Artec Spider für Kens Ohr-Nachbildungen trug dazu bei, dass die Abläufe sowohl vereinfacht als auch systematisiert werden konnten. Wenn die Erstuntersuchung mit den Patienten abgeschlossen ist, kommen diese ein zweites Mal ins Krankenhaus und lassen ihr gesundes Ohr scannen. Nachdem bei Ellie „bilaterale Mikrotie“ (d.h. beide Ohren sind betroffen) diagnostiziert worden war, wurde in diesem Fall das Ohr ihrer Schwester gescannt, da diese nicht an Mikrotie litt. Manchmal wird auch ein Bild des betroffenen Ohrs als Grundlage verwendet. Während des Scannens erfasst Artec Spider zunächst mit verblüffender Detailgenauigkeit die Ohrmuschel und arbeitet sich dann tief in den Gehörgang, um weitere, unabdingbare visuelle Daten zu sammeln. Anschließend werden die Bilder in Artec Studio hochgeladen und dort flink zusammengefügt und verschmolzen, bevor daraus ein eindrucksvolles digitales Modell des Ohrs entsteht.

Während der Nachbearbeitung wird Leios genutzt, um die Oberfläche des Ohrs zu überprüfen, überflüssige Element zu entfernen und durch Anwendung eines internen Offsets eine bestimmte Dicke der Haut zu ermöglichen. Sobald alle strukturellen und kosmetischen Veränderungen abgeschlossen sind, wird das fertige Bild gespiegelt. Danach wird eine Datei mit den Bildern über eine gemeinsame Festplatte an ein Labor weitergeleitet und in die Software Roland MonoFab Printing geladen, wo sämtliche Veränderungen umgesetzt werden. Nun muss nur noch der Knopf betätigt werden, um den 3D-Druckzu starten.

Jeff Millar, gesichtschirurgischer Prothetiker, bereitet den 3D-Druck der Ohren auf dem Roland MonoFab vor.

Das ausgedruckte Ergebnis.

Nach etwa drei Stunden werden die nachgebildeten Ohren aus dem 3D-Drucker entnommen und in Isopropanol gereinigt. Dann werden sie für einige Minuten unter eine UV-Lampe gelegt, damit sie sich in ihrer Form verhärten. Anschließend werden sie sterilisiert, versiegelt und als Vorlagen für Ohr-Nachbildungen in den Operationsraum gegeben.

Man kann sagen, dass sich die Nachbildung von Ohren während der letzten 40 Jahre, in denen plastische Chirurgen an ihrer Perfektionierung gearbeitet haben, langsam (aber beständig) entwickelt hat. Es begann in den 1970ern, als Chirurgen Knorpel aus Rippen entnahmen, um das Gewebe für die Nachbildung des Ohres zu nutzen. Damals diente eine zweidimensionale Pause des normalen Ohres auf Papier als Richtschnur, mit der ein Chirurg aus dem entnommenen Knorpel in etwa das zukünftige Ohr des Patienten formen konnte. Jedoch konnte ein solches graphisches Modell lediglich als annähernde Orientierung dienen. Die komplexen Dimensionen des Ohres erfordern aber ein ganz anderes Maß an Präzision. Mit Hilfe fortgeschrittener Visualisierungstechnik von Artec3D müssen Chirurgen wie Ken für die Prothesen und Implantate, die sie erstellen, nun nicht mehr mit näherungsweisen Modellen arbeiten, besonders, wenn die Patienten Kinder wie Ellie sind.

Mittlerweile arbeitet das Team mit dem Centre for Regenerative Medicine der Universität Edinburgh, wo Professor Bruno Peault und Dr. Chris West erfolgreich menschlichen Stammzellen von Fett isoliert haben. Die veredelten Stammzellen wurden gegen eine Sammlung von 10.000 durch die FDA (US-Behörde für Lebens- und Arzneimittel) bestätigte Polymere getestet. Dr. West identifizierte mehrere Polymere, an die sich die Stammzellen ankoppeln. Die Zellen können genutzt werden, um auf der Oberfläche des Polymers Knorpel zu produzieren. Man hofft nun, dass es durch die Verbindung von Artec 3D-Scan-Technologie, Technologie für Gewebeproduktion und  Liposuktion möglich wird, exakt gespiegelte Kopien für das betroffene Ohr zu erstellen, wodurch die Nutzung von Rippenknorpel überflüssig wird.

Ellies 3D-gedrucktes Ohr aus einem Scan mit Artec Spider.

Nahaufnahme des Ohrs.

Während Technologie und Wissen beim NHS Lothian immer weiter fortschreiten, freuen sich Mitarbeiter und Patienten bei Sick Children auf den Umzug in ein neues Gebäude in Little France, Edinburgh, im Herbst 2017. Dort werden die 3D-Arbeiten fortgesetzt.