3D-gedruckte Kinderherzmodelle zum Kathetertraining in Afrika

Im Rahmen eines Forschungsprojekts unterstützt das Klinikum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München pädiatrische Kardiologen in Äthiopien bei der Ausbildung mit Hilfe von 3D-gedruckten Modellen von Kinderherzen. Auf Basis realer Herzdaten wurden dazu Modelle mit verschiedenen typischen angeborenen Herzfehlern entwickelt, deren neueste Generation sogar pulsieren kann. Für die Entwicklung und Modifizierung der Herzmodelle nutzte das Klinikteam das Softwarepaket Mimics Innovation Suite des 3D-Druck-Spezialisten Materialise. Die additiv gefertigten Herzmodelle ermöglichen ein besonders realistisches, beliebig wiederholbares Kathetertraining von Ärzten und Helfern in ihrer normalen Arbeitsumgebung.

Bevor das schlagende Kinderherzmodell entwickelt wurde, war zunächst mittels der Mimics Innovation Suite ein dreidimensionales Herzmodell auf Basis anonymisierter CT- oder Magnetresonanztomographie-Scans (MRT) echter Organe geschaffen worden. Das virtuelle Herz wurde anschließend mithilfe der 3-matic-Software auf verschiedene Größen von Kinderherzen skaliert und mit diversen angeborenen Fehlern versehen – darunter Löcher in den Herzwänden, verengte Gefäße oder verformte Strukturen.

Auf Basis der Rückmeldungen von Medizinern und Studenten veränderte eine Ingenieurin im Klinikum die Oberflächen, Formen und Strukturen schrittweise so, dass die Modelle immer realistischer wurden. Nach Schulungstests an den statischen Modellen wurden die Herzimitate schließlich zum Pulsieren gebracht. Dazu erhielt die nächste Generation noch eine Herzklappe und wurde mit einem geschlossenen, kreisförmigen, mit Wasser gefüllten Silikonschlauchsystem sowie einer pulsatilen Antriebseinheit verbunden. Die Herznachbildungen werden weiterhin laufend variiert und verbessert.

“Für die Modulation des Herzmodells ist vor allem die Designfreiheit, die Materialise 3-matic bietet, von großer Hilfe”, so Carina Hopfner, verantwortliche Ingenieurin für 3D-Druck am LMU Klinikum. “Mit der Software kann ich Formen, Oberflächen und Strukturen der Modelle sehr flexibel und hochpräzise definieren. Unter anderem lassen sich damit die gesamte Einheit oder nur Teile der Strukturen oder Defekte skalieren. Außerdem können Löcher, Verbindungen oder Verformungen entweder beseitigt oder erzeugt werden.”

Erfolgreiche Schulungen unter realistischen Bedingungen

Als Partner für das noch laufende Forschungsprojekt fungierte das Ayder Referral Hospital der Universität Mekelle in Äthiopien. Die 3D-gedruckten Herzmodelle sollen Ärzte dort in die Lage versetzen, interventionelle Behandlungen an pädiatrischen Patienten mit angeborenen Herzfehlern selbständig durchzuführen. Die Mehrheit der Auszubildenden hat noch nie mit Herzkathetern gearbeitet, so dass die Ausbildung am 3D-Modell eine einzigartige Gelegenheit bietet, sie vor der Durchführung von Eingriffen an Patienten zu schulen. Zugleich sind die technologisch und personell schwierigen Ausbildungsbedingungen in Mekelle ein guter Gradmesser für die universelle, einfache Nutzbarkeit der additiv gefertigten Herznachbildungen. Bisher wurden hier die statischen Herzmodelle getestet. Testschulungen mit den pulsierenden Herzen fanden bereits am LMU Klinikum sowie am Universitätsklinikum der Medizinischen Universität Wien statt.

Geleitet wird das Projekt von Prof. Dr. med. Nikolaus Haas, Direktor der Abteilung Kinderkardiologie und Pädiatrische Intensivmedizin des LMU Klinikums sowie Präsident der Deutschen Gesellschaft für Pädiatrische Kardiologie und Angeborene Herzfehler e.V.. Er ist mit dem bisherigen Erfolg außerordentlich zufrieden: “Die erfahrenen Akteure unter den bisherigen Schulungsteilnehmern betonen den realistischen Charakter der Nachbildungen. Auch ich kann diese positive Erkenntnis bestätigen. Ganze Interventions-Teams gewinnen so unter wirklichkeitsnahen Bedingungen an Sicherheit bei Katheteranwendungen.”

Prof. Dr. Haas hält die neuen Herzmodelle für wegweisend: “Aufgrund der zahlreichen mit solchen 3D-Druck-Modellen verbundenen Vorteile bin ich der Meinung, dass Schulungen daran fester Bestandteil der kinderkardiologischen Ausbildung sein sollten. Das Training daran lässt sich ohne großen finanziellen und technologischen Aufwand in jedem mit einem Herzkatheterlaborn ausgestatteten Krankenhaus regelmäßig durchführen. Handgriffe und Prozesse werden so schneller und besser verinnerlicht.”

Der Artikel basiert auf einer Pressemeldung von Materialise.