Einsatz von 3D-Modellen in der Herzchirurgie

Wer sich vor einer komplizierten Operation ein genaues Modell erschafft, den kann hinterher kaum noch etwas überraschen. Gut so: Denn Herzchirurgie bleibt auch so noch kompliziert genug.

Prof. Dr. med. Ralf Sodian vom MEDICLIN Herzzentrum Lahr im Schwarzwald erforscht den Einsatz von dreidimensionalen Modellen in der Herzchirurgie.

Prävention in der Herzchirurgie – das bedeutet für Mediziner auch: Exakt planen, besonders vor schwierigen Operationen. Und eventuelle Probleme sichtbar machen – noch vor dem ersten Schnitt. „3D-Druck und Virtual Reality werden zu unverzichtbaren Instrumenten in der Herzchirurgie,“ sagt Prof. Dr. med Ralf Sodian vom Herzzentrum in Lahr: „Denn man kann die Modelle drehen, wenden und aus jedem Winkel betrachten.“

Ganz besonders bei Patient*innen mit speziellen anatomischen Besonderheiten sei es wichtig, die Verhältnisse vor der Operation genau zu kennen und zu verstehen: „So exakt die Bildgebung auch heutzutage sein mag – mitunter hilft eine dreidimensionale Rekonstruktion aus dem 3D-Drucker oder in einem Virtual Reality Szenario, um sich Lage und Strukturen im Operationsgebiet besser vorstellen zu können.“

Chirurg*innen, in diesem speziellen Fall Herzchirurg*innen, greifen deshalb immer öfter auf individuelle Organ- und Gefäßprototypen zurück, um sich bereits vor der Operation optimal zu orientieren und den Eingriff effektiv zu planen. Die ersten Prototypen von Organrekonstruktionen im 3D-Drucker wurden aber auch schon zur Herstellung von patientenindividuellen Prothesen und Implantaten genutzt.

Jahrelange Forschungspartnerschaft

Die Möglichkeit, dreidimensionale Herzmodelle aus Ultraschallbildern oder computertomografischen Aufnahmen herstellen zu können, erforschen die Lahrer Herzmediziner*innen seit mehreren Jahren in einer Forschungspartnerschaft mit der TU München, die an der Technologie für den Druck verschiedener Konstrukte forscht, sowie einer Firma für Spezialsoftware. „Ich bin der Experte für die chirurgische Anwendung“, sagt der Lahrer Herzchirurg, der im Forschungsverbund zudem die Herzchirurgie der Ludwig-Maximilians-Universität München repräsentiert.

In der Medizin kamen dreidimensionale Druckerzeugnisse zuerst beim passgenauen Knochenersatz zum Einsatz, diese Technik wurde jetzt für die Gefäßchirurgie, Neurochirurgie, Wirbelsäulenchirurgie und die Herzchirurgie weiterentwickelt. Die Datensätze für diese Rekonstruktion können aus Computertomographien, Kernspintomographien und 3D-Echokardiographien genutzt werden. Diese bieten Herzchirurg*innen oder auch interventionellen Kardiolog*innen die Möglichkeit, die genaue Lage im Körper zu bestimmen, die Gefäße und auch die Klappen vorab im Modell gleichsam zu drehen, zu wenden und von allen Seiten zu betrachten. „Hier spielt die Haptik eine sehr große Rolle für die optimale Vorbereitung von komplexeren Eingriffen“, betont Sodian.

Virtuell Organe erkunden

Eine Weiterentwicklung der 3D-Druckverfahren ist die Rekonstruktion mittels Virtual Reality. Anstelle einer ausgedruckten Rekonstruktion kann das Modell in einer VR-Brille angesehen werden. „In Lahr haben wir bereits die ersten VR-Rekonstruktionen durchgeführt. Virtuell durch die Brille kann man die Anatomie so groß und übersichtlich darstellen, dass man im Grunde durch die Organe hindurchgehen kann und anatomische Besonderheiten eindrucksvoll erkennt“, schwärmt der Herzchirurg – von der verkalkten Herzklappe, über chronische Rissbildungen in der Hauptschlagader bis hin zu angeborenen Herzfehlern.

3D-Druck ermöglicht die optimale Vorbereitung komplexer Operationen.

- Prof. Dr. med. Ralf Sodian, MEDICLIN Herzzentrum Lahr

Bessere Entscheidungen treffen

„Wir können die Prototypen aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Farben herstellen“, erklärt Sodian: „Spezielle Strukturen lassen sich dadurch farblich absetzen, wie etwa ein Tumor an der Ventrikelwand des Herzens oder Gefäßmissbildungen.“ Modelle können überdies aufgesägt werden, um die Hohlstruktur innen zu betrachten. Außerdem lassen sie sich sterilisieren und so auch während des Eingriffs zur besseren Orientierung verwenden. „Ich kenne zahlreiche repräsentative Fälle, bei denen das 3D-Modell sowohl bei kongenitalen, bereits bei der Geburt vorhandenen Herzfehlern als auch in der Kardiochirurgie Erwachsener essentielle Hinweise liefern konnte“, hebt Sodian hervor.

„Bei beiden Visualisierungstechniken steht nicht so sehr die Zeitersparnis im Vordergrund, sondern die bessere Entscheidung für komplexe Operationen und die exakte Planung“, so Sodian: „Obwohl Computertomografiebilder oder Katheteruntersuchungen exzellente Informationen liefern, kommen wir immer wieder in Situationen, die mit herkömmlichen diagnostischen Mitteln nicht zu lösen sind.“ Erst wenn man das 3D-Modell in der Hand halte oder virtuell betrachte, könne man exakt alle Winkel und anatomischen Verhältnisse erkennen und beurteilen. „Dann leuchtet unmittelbar ein, was die Probleme des Patienten sind und wie sie individuell gelöst werden können“, betont Sodian.

Viele Entscheidungen in der Herz- und Gefäßchirurgie sind komplex. Sie entscheiden unmittelbar über das Operationsergebnis und damit über das Überleben des Patienten oder der Patientin: „Je besser man die besondere Situation bereits vor der OP einschätzen kann, desto besser kann man sich auf den Eingriff vorbereiten und desto sicherer ist er. Das hilft dabei, Fehlbehandlungen vorzubeugen, aber auch Probleme, die während einer OP auftreten können."