Wie Software Innovationen im medizinischen 3D-Druck ermöglicht.

Laut Scott Rader, einem ehemaligen Stratasys-GM, der im vergangenen Jahr den 3D-Druck von GE Healthcare geleitet hat, ist ein 3D-Drucker ohne Software, der angibt, wo das Material platziert werden soll, lediglich ein wirklich schönes und teures Möbelstück.

Dennoch besteht noch Bedarf an weiteren Software-Fortschritten, wenn der 3D-Druck eine weit verbreitete Innovation im Gesundheitswesen vorantreiben soll – von Schulungen für Chirurgen zu patientenspezifischen 3D-gedruckten Modellen bis hin zu kundenspezifischen, gedruckten orthopädischen Implantaten und anderen medizinischen Geräten.

„Deshalb bin ich zu GE Healthcare gekommen, um die Punkte miteinander zu verbinden„, sagte Rader kürzlich gegenüber Medical Design & Outsourcing.

Unabhängig davon, ob es darum geht, eine 3D-druckbare Datei aus einem medizinischen Bild auszuspucken, eine kompliziertere 3D-Struktur schneller zu entwerfen oder sicherzustellen, dass ein 3D-Drucker wirklich nach Spezifikation druckt, hat die Software, die die Verwendung ermöglicht, in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht.

„Es ist untrennbar miteinander verbunden, weil es sich um digitale Fertigung handelt. Sie können den Computer nicht vom digitalen Herstellungsprozess trennen “, sagte Dr. Jenny Chen, Gründerin und CEO von 3DHeals, einer Community von 3D-Druck-Innovatoren im Gesundheitswesen.

Im Folgenden möchten wir Ihnen einige Highlights dieser Software-Innovationen vorstellen:

Schnelle Erstellung einer druckbaren 3D-Datei aus medizinischen Bildern.

Das untere kontrastmittelverstärkte CT-Bild zeigt ein Herz mit Gefäßen – ein komplexes dreidimensionales Bild, das normalerweise im Darm der Server eines Krankenhauses verloren geht, nachdem ein Radiologe einen Diagnosebericht und das dazugehörige PDF erstellt hat.

Rader von GE Healthcare zeigte eine Demo, die er auf der letztjährigen Tagung der Radiological Society of North America entwickelt wurde, die visualisiert, wie ein Radiologe, der die Advantage Workstation des Unternehmens nutzt, innerhalb von Sekunden 3D-Modelle eines Herzen und eines bestimmten Zweigs eines Blutgefäßes auswählen kann.

Ärzte verwenden die Advantage Workstation, um Patientenscans wie CT und MRT zu „lesen“. Sobald der Radiologe die interessierende Anatomie definiert hat, kann er mit wenigen Mausklicks sehen, wie sie in eine 3D-druckbare Datei exportiert wird. Dies kann eine der STL-Dateien sein, die 3D-Drucker üblicherweise verwenden oder ein alternatives Dateiformat wie OBJ oder 3MF oder sogar VRML für Virtual-Reality-Systeme.

Es ist seit Jahren möglich, 3D-druckbare Dateien aus den DICOM-Ausgaben (Digital Imaging and Communications in Medicine) von CT- oder MRT-Scans zu erstellen. Der Prozess umfasst jedoch die Interpretation der Daten zu Schnitten durch den Körper und die Segmentierung von Organen, Knochen und Gefäßen, indem diese Strukturen in den Schnitten umrissen werden. Laut Rader sind manuelle Segmentierungsprozesse mühsam, insbesondere für einen Krankenhausradiologen, der versucht, die Dateien an einem anstrengenden Arbeitstag zu erstellen.

Advantage Workstation unterstützt Radiologie-Abteilungen seit mehr als 20 Jahren bei der Optimierung des Workflows für Diagnoseberichte. Neu ist die Möglichkeit, die 3D-Diagnosevisualisierungen für den 3D-Druck und darüber hinaus über einen einfachen Dateiexport wiederzuverwenden.

„Wenn Sie sich mit manueller Segmentierung und 3D-Druckerschnittstellensoftware auskennen, können Sie dies heute tun, aber meine Krankenhauskunden haben nicht oft einen 3D-Druck- oder technischen Hintergrund„, sagte Rader. Er fügte in Bezug auf GE Healthcare-Funktion 3D Suite hinzu: „Sie können die bereits generierten Daten mit nur drei Klicks wiederverwenden, um den radiologischen Bericht zu erstellen.“

GE führt derzeit die neue Funktion zur Erstellung von 3D-gedruckten Bildungsmodellen ein, um die Kommunikation im Ärzteteam zu unterstützen und den Pflegesuchenden die Bedingungen zu erläutern. Es ist geplant, die FDA-Genehmigung für Diagnose- und Schulungszwecke einzuholen.

„Wir haben die Fähigkeit, in 3D zu kommunizieren„, sagte Rader.

Die wichtigsten Wettbewerber von GE im Bereich Imaging – Royal Philips und Siemens Healthineers – haben ebenfalls Fortschritte bei der Erstellung von 3D-druckbaren Dateien aus medizinischen Scans erzielt.

Als Philips 2017 die 10. Version seines IntelliSpace-Portals herausbrachte, enthielt es eine eingebettete 3D-Modellierungsanwendung, die das Generieren und Exportieren von 3D-Modellen für VR und Drucken als Erweiterung des klinischen Workflows vereinfachen soll.

Philips verfügte bereits über Algorithmen, mit denen beispielsweise eine 3D-Version eines Dickdarms für eine virtuelle Koloskopie oder 3D-Versionen des Herzens oder der Lunge erstellt werden konnten. Daher war es ziemlich natürlich, den Sprung zur Erstellung von Modellen zu wagen, die tatsächlich gedruckt werden konnten, sagte Kevin Lev, Marketingleiter für fortschrittliche Visualisierungs- und KI-Lösungen bei Philips.

„Wir müssen uns daran erinnern, dass Radiologen nicht unbedingt daran gewöhnt sind, physische Modelle zu erstellen„, sagte Lev. „Wir haben versucht, den Prozess für den Radiologen zu vereinfachen und ihn auf die Operations- oder Interventionssuite zu übertragen, wo die chirurgische Planung große Vorteile haben kann, die möglicherweise einen großen Unterschied für den Patienten bedeuten.“

Ebenfalls im Jahr 2017 gab Siemens Healthineers eine Partnerschaft mit Materialise bekannt – dem ersten Unternehmen, das die FDA-Zulassung für anatomische 3D-Druckmodelle für diagnostische Zwecke erhalten hat, um die inPrint-Software Materialise Mimics in die fortschrittliche Bildgebungsplattform Syngo.via von Siemens zu integrieren.

„Die einfachen Arbeitsabläufe in der Materialise-Software erleichtern es Radiologen und Bildgebungstechnikern, auf einfache und unkomplizierte Weise eine Datei aus den DICOM-Bildern in eine 3D-druckbare Datei zu erstellen„, sagte Todd Pietila, der die globale Geschäftsentwicklung für Krankenhäuser verwaltet.

Laut Katrin Ganser, globale Marketingmanagerin von Syngo bei Siemens Healthineers, können Radiologen die Materialise-Software von jedem Syngo.via-Zugangspunkt aus verwenden, der an einer beliebigen Stelle in einem Krankenhausnetzwerk installiert ist.

„Wir wollen den 3D-Drucker in kleinere Krankenhäuser bringen, die nicht die traditionellen großen Forschungseinrichtungen sind„, sagte Ganser.

Schnelleres und komplizierteres Design.

Innovationen finden auch im Bereich der Design-Software im medizinischen 3D-Druck statt.

Zum Beispiel verfügt nTopology (New York) über eine Konstruktionssoftware, die über das herkömmliche CAD hinausgeht, indem mathematische Gleichungen zur Darstellung komplexer Geometrien verwendet werden, anstatt jedes komplexe Merkmal separat darstellen zu müssen. Das Ergebnis ist ein schnelleres Design und kleinere Dateigrößen, die nur Megabyte groß sind, im Vergleich zu Hunderten von Megabyte oder sogar Gigabyte, so Christopher Cho, Senior Application Engineer des Unternehmens.

Die Wurzeln des 5-jährigen Unternehmens liegen in der Konstruktionsbranche. Aber die nTopologie hat in der Medizintechnik Fortschritte gemacht, insbesondere im orthopädischen Raum, wo komplexe Geometrien innerhalb von Implantaten das Potenzial haben, das Knochenwachstum zu stimulieren.

Irish Manufacturing Research (IMR) hat beispielsweise mit nToplogy und dem britischen Ingenieurbüro Renishaw und seinem Renishaw RenAM 500M Metall-AM-System zusammengearbeitet, um leichte Wirbelsäulenimplantate herzustellen, die die mechanischen Eigenschaften von Knochen nachahmen. Es ist einfacher, Änderungen vorzunehmen und mit der Software zu experimentieren, da die Änderungen dann laut Cho durch die Gesamtgleichungen hinter dem Design fließen können.

„Sie konnten die Software verwenden, um mehr Optionen zu erkunden, die sie in kürzerer Zeit in Betracht ziehen und testen konnten„, sagte er über Renishaw und IMR. „Wir können Ihnen eine brandneue, einzigartig aussehende Struktur geben und mit etwas auf den Markt kommen, das noch niemand zuvor gesehen hat.“

Die additive Fertigung zeichnet sich durch die Entwicklung komplexer Technologien aus, sodass die Design-Software von nTopology gut mit dem 3D-Druck harmoniert. Das Unternehmen unterhält Partnerschaften mit Renishaw, EOS und anderen, um nTopology direkt in seine 3D-Drucksysteme zu integrieren, anstatt sich auf STL-Dateien und deren Einschränkungen zu verlassen.

„Wenn wir diesen digitalen Schritt vermeiden können, direkt mit den Maschinenherstellern zusammenarbeiten und den Workflow für digitale Modelle direkt in diese integrieren, können wir dieses digitale Hindernis umgehen und die Hülle des Designs wirklich in den Herstellungsprozess einfließen lassen“, so Cho sagte.

Der Aufstieg des In-situ-Monitorings.

Unabhängig davon, welche Software-Innovation erstellt wurde, wird sich ein Design als nutzlos erweisen, wenn der 3D-Drucker nicht gemäß den Spezifikationen druckt. Hier kommt eine ausgefeiltes In-situ-Monitoring ins Spiel – die Überwachung während des eigentlichen Drucks.

3D Systems verfügt beispielsweise über In-Process-Überwachungssysteme in Metall-3D-Drucksystemen, einschließlich DMP Flex 350, DMP Factory 350 und DMP Factory 500, wobei die Datenanalyse nach dem Prozess erfolgt.

In Kürze soll neue Software für die automatisierte Überwachungsanalyse veröffentlicht werden, um die Benutzer bei der Beurteilung der Teilequalität zu unterstützen, sagte Markus Reichmann, Manager für die Entwicklung des Gesundheitsgeschäfts bei der Druckerfirma. „Wir geben uns wirklich viel Mühe mit der automatisierten Überwachung.“

3D Systems verwendet eine Digitalkamera und eine Leuchtdiode, die emittiertes Licht sammelt, um genau zu sagen, was im Schmelzbad vor sich geht.

„Ein nächster Schritt wird darin bestehen, die Online-Analyse einzubeziehen, die während des Druckvorgangs ausgeführt wird … und auf der Grundlage der Analyseergebnisse eine Rückkopplungsschleife für den Druckprozess bereitzustellen„, sagte Reichmann.

Eine 3-jährige 3D-Druckerfirma mit der Bezeichnung Origin mit Sitz in San Francisco verfügt über einen 3D-Drucker mit der Bezeichnung Origin One, der während des Druckvorgangs noch mehr überwacht. Es gibt zwei optische Kameras, drei Infrarotkameras, Feuchtigkeitssensoren, Temperatursensoren und mehr – sowie eine Analysesoftware, um besser herauszufinden, was los ist, sagte Finbarr Watterson, Marketingdirektor von Origin.

Der Grund für so viele Kontrollen ist, dass Origin aus Partnerschaften mit großen Materialunternehmen wie BASF und Henkel hervorgegangen ist, die ebenfalls wichtige Zulieferer der Medizinprodukteindustrie sind. Sie wollten einen Drucker, den sie optimieren konnten, um die Materialien herzustellen, die Designer in der Medizintechnik und anderen fortschrittlichen Branchen verwenden möchten.

Henkel hat zum Beispiel Silikone, die in medizinischen Geräten verwendet werden, obwohl Silikone für den 3D-Druck notorisch schwer sind.

„Nicht viele Unternehmen aus der 3D-Druckbranche bieten es an, weil es schwierig ist, gute Funktionen auszuführen, aber durch unsere Softwaresteuerung und durch Optimierungen können wir die Silikone auf unserem System zum Laufen bringen, wenn sie ausgefallen sind mit jedem anderen 3D-Drucker auf Harzbasis “, sagte Watterson.

Mit dem Origin-Druckverfahren können Silikone innerhalb einer Toleranz von 100 Mikron gedruckt werden und mit starren Materialien kann eine Toleranz von 50 Mikron oder weniger erreicht werden.

Laut Watterson legt Origin großen Wert auf Datenzugriff und -analyse. „Wir wollen alles offen und zugänglich machen, wirklich gute Hardware schaffen und nicht versuchen, alles zu tun. … Wir wollen uns erweitern und mit Unternehmen zusammenarbeiten, um gemeinsam Anwendungen zu entwickeln. “

In-situ-Überwachung und Datenzugriff über Software sind für die Innovation des medizinischen 3D-Drucks von entscheidender Bedeutung, sagte Chen. „Es ist äußerst wichtig, das menschliche Element zu entfernen, damit es keine Kunst mehr ist. Es ist also nicht so, dass ein Produkt anders als das andere untersucht werden kann, sondern dass es stets mit Qualität geliefert wird.“

Wir hoffen, dass wir Ihnen einen guten Überblick über die wichtigsten Innovationen im medizinischen 3D-Druck liefern konnten. Wenn Sie noch Fragen oder Anregungen haben sollten, hinterlassen Sie uns unten einen Kommentar.

Vielen Dank für Ihren Besuch.