Forscher der Universität Queensland stellen Genauigkeit von 3D-gedruckten medizinischen Modellen mit dem FDM-Verfahren in Frage

Forscher von der Queensland University of Technology haben eine Studie veröffentlicht, die das 3D-Druckverfahren FDM (Fused Deposition Modelling) hinter der Herstellung anatomischer medizinischer Rekonstruktionen infrage stellt.

3D-Druckmodelle können wichtige Hilfsmittel für Ärzte, bei der Diagnose und Behandlung von Patienten oder bei der Ausbildung und Schulung zukünftiger Chirurgen sein. Dennoch können Ungenauigkeiten und Defekte in diesen Nachbildungen den Patienten durch eine suboptimale Behandlungsplanung potenziell schaden.

Die Forschungsarbeit untersucht das Zusammenspiel von der Herstellung von 3D-Modellen mit dem FDM-3D-Druck, die zuerst mit einem CT-Scan ermittelt wurden. FDM 3D-Druck hat den Vorteil, dass er kostengünstig und leicht in der Handhabung ist. Ein Nachteil ist jedoch, dass das Verfahren durch die Düsenbreite bei der Genauigkeit begrenzt ist. Die CT-Technologie für den Scan gilt als Goldstandard beim 3D-Scannen. CT-Scanner werden daher häufig verwendet, um 3D-Visualisierungen der Anatomie von Patienten für den späteren 3D-Druck zu erstellen.

Die CT-Technologie ist jedoch noch lange nicht perfektioniert. Bei einem CT-Scanner mit einem Detektor ist die Schichtbreite durch die Detektorgröße und die Kollimation des Röntgenstrahls entlang der z-Achse begrenzt. Dies könnte direkte Auswirkungen auf 3D-Modelle haben, die aus einem Bilddatensatz erstellt wurden, da höhere Schichtbreiten zu einer geringeren Bildauflösung und anatomischen Details führen. Die Kombination von Daten aus mehreren Detektorelementen kann hier Abhilfe schaffen, indem Bilder in einem Bereich von Schichtbreiten aus dem gleichen Scan rekonstruiert werden, jedoch mit verbesserter Visualisierung. Dies kann durch eine Verringerung des Schicht-Rekonstruktionsintervalls (SRI) erreicht werden, das in den Scandaten den Abstand zwischen dem Zentrum benachbarter Schichten darstellt, aber oft weniger Daten produziert.

Um die optimalen SRI-Einstellungen zu testen und zu bestimmen, wurden drei bovine Steißbeinwirbel und ein European Forearm Phantom Quality Assurance Device mit einem 16-Schicht-CT-Scanner gescannt. Die Proben wurden gemäß den in der klinischen Praxis gebräuchlichen Parametern in einer Linie positioniert und getrennt voneinander abgebildet, wobei die minimale Schichtbreite bei maximaler Auflösung beibehalten wurde.

Die über die Scans gesammelten Daten wurden von jeder Originalprobe in eine DICOM-Datei (Digital Imaging and Communications in Medicine) umgewandelt, und für jede Datei wurde ein segmentiertes Modell erstellt. Diese Replikate wurden dann mit einem Malyan M200 3D-Drucker hergestellt, und nachdem die Stützstrukturen entfernt worden waren, wurden ihre anatomischen Merkmale vermessen. Die absoluten Fehlergrenzen wurden summarisch als die absolute Differenz in Millimetern zwischen den Messungen an jedem Originalexemplar und dem entsprechenden gedruckten 3D-Modell berechnet.

Die Ergebnisse zeigten, dass das 3D-Druckverfahren hochrealistische 3D-Replikate erzeugt hatte, die für Messungen und Analysen geeignet waren. Die absoluten Fehler reichten von 0 bis 1,91 mm, und es zeigte sich, dass eine Erhöhung des SRI den mittleren absoluten Fehler zwischen den Vergleichsmessungen erhöhte. Eine Verkleinerung der SRI bewirkte unterdessen eine Verringerung des mittleren absoluten Fehlers zwischen Vergleichsmessungen von gepaarten Modellen, aber dies war nicht immer der Fall, und die Größe des erzeugten Datensatzes bedeutet, dass es sich dabei um einen langwierigen Prozess handeln kann.

Zusammenfassend stellten die Forscher fest, dass eine Reduzierung der SRI unter die primären limitierenden Faktoren nicht unbedingt die Genauigkeit verbessert, so dass die zusätzliche Dateigröße und Verarbeitungszeit nicht gerechtfertigt erscheint.

Die komplette Studie der Forscher kann in dem Paper “An investigation into the effect of changing the computed tomography slice reconstruction interval on the spatial replication accuracy of three‐dimensional printed anatomical models constructed by fused deposition modelling” gefunden werden.