Forschungsteam kommt dem 3D-Druck von Modellen lebensechter Organe einen Schritt näher

Ein Forscherteam der University of Colorado hat eine neue Strategie entwickelt, um medizinische Bilder wie CT- oder MRT-Scans in unglaublich detaillierte 3D-Modelle auf dem Computer zu verwandeln. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Druck naturgetreuer Darstellungen der menschlichen Anatomie, die Mediziner in der realen Welt untersuchen können.

Die Entdeckung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der CU Boulder und des CU Anschutz Medical Campus, die sich mit einem großen Bedarf in der Medizin befasst: Chirurgen nutzen seit langem bildgebende Verfahren, um ihre Eingriffe zu planen, bevor sie den Operationssaal betreten. Aber einen MRT-Scan kann man nicht anfassen, sagt Robert MacCurdy, Assistenzprofessor am Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering der CU Boulder.

Sein Team will das ändern und den Ärzten eine neue Möglichkeit bieten, realistische und greifbare Modelle der verschiedenen Körperteile ihrer Patienten zu drucken, bis hin zu den Details ihrer winzigen Blutgefäße – mit anderen Worten: ein Modell Ihrer eigenen Niere, das vollständig aus weichen und biegsamen Polymeren hergestellt ist.

“Unsere Methode entspricht dem dringenden Bedürfnis, Chirurgen und Patienten ein besseres Verständnis der patientenspezifischen Anatomie zu vermitteln, bevor die Operation überhaupt stattfindet”, so MacCurdy, Hauptautor der neuen Studie.

Mit der jüngsten Studie kommt das Team diesem Ziel näher. Darin stellen MacCurdy und seine Kollegen eine Methode vor, mit der aus Scandaten Karten von Organen erstellt werden können, die aus Milliarden von volumetrischen Pixeln oder “Voxeln” bestehen – wie die Pixel, aus denen ein digitales Foto besteht, nur dreidimensional.

Die Forscher experimentieren derzeit damit, wie sie diese Karten mit Hilfe von 3D-Druckern in physische Modelle umwandeln können, die genauer sind als die mit den vorhandenen Werkzeugen verfügbaren.

Das Projekt, das von MacCurdy und Nicholas Jacobson von der CU Anschutz geleitet wird, wird von AB Nexus finanziert, einem Förderprogramm, das neue Kooperationen zwischen den beiden Universitäten in Colorado anregen soll.

“In meinem Labor suchen wir nach alternativen Darstellungsformen, die den Denkprozess der Chirurgen nicht unterbrechen, sondern unterstützen”, so Jacobson, der im Rahmen der Inworks Innovation Initiative im Bereich klinisches Design forscht. “Diese Darstellungen werden zu Ideenquellen, die uns und unseren chirurgischen Mitarbeitern helfen, mehr von den verfügbaren Daten zu sehen und darauf zu reagieren.”

Die Orange in Scheiben schneiden

Menschliche Organe sind kompliziert – sie bestehen aus Netzwerken von Gewebe, Blutgefäßen, Nerven und mehr, die alle ihre eigene Textur und Farbe haben.

Derzeit versuchen Mediziner, diese Strukturen mit Hilfe der Grenzflächenkartierung zu erfassen, die ein Objekt im Wesentlichen als eine Reihe von Oberflächen darstellt.

“Stellen Sie sich die bestehenden Methoden so vor, als würde man eine ganze Orange darstellen, indem man nur die äußere Orangenschale betrachtet”, so MacCurdy. “So gesehen ist die gesamte Orange eine Schale.”

Bei der Methode seines Teams hingegen geht es um das saftige Innere. Der Ansatz beginnt mit einer DICOM-Datei (Digital Imaging and Communications in Medicine), den Standard-3D-Daten, die CT- und MRT-Scans erzeugen. Mithilfe einer speziellen Software wandeln MacCurdy und seine Kollegen diese Daten in Voxel um, d. h. sie zerlegen ein Organ in winzige Würfel mit einem Volumen, das viel kleiner ist als ein typisches Tränentropfen.

Und, so MacCurdy, die Gruppe kann all dies tun, ohne dass dabei Informationen über die Organe verloren gehen – etwas, das mit bestehenden Kartierungsmethoden unmöglich ist.

Um diese Werkzeuge zu testen, nahm das Team echte Scandaten eines menschlichen Herzens, einer Niere und eines Gehirns und erstellte dann für jede dieser Strukturen eine Karte. Die daraus resultierenden Karten waren detailliert genug, um beispielsweise zwischen dem fleischigen Inneren der Niere (Medulla) und ihrer äußeren Schicht (Kortex) zu unterscheiden – beides sieht für das menschliche Auge rosa aus.

“Chirurgen berühren ständig Gewebe und interagieren mit ihnen”, so MacCurdy, “deshalb wollen wir ihnen Modelle an die Hand geben, die sowohl visuell als auch taktil sind und so repräsentativ wie möglich für das sind, womit sie konfrontiert werden”.

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