Die Gehirnchirurgie benötigt Geräte und Instrumente, die mit einem Höchstmaß an Präzision gefertigt werden. So zielt die Tiefenhirnstimulation, mit der akute Symptome verschiedener Krankheiten behandelt werden, auf Bereiche des Gehirns ab, die nur wenige Millimeter groß sind. Hinzu kommt, dass die Gehirnstruktur jedes Menschen einzigartig ist. Das Unternehmen FHC, Bowdoin, USA, ist seit mehr als 40 Jahren einer der weltweit führenden Anbieter von Produkten im Bereich der Neurowissenschaften. Durch die Entwicklung eines 3D-Modelliervorgangs auf Basis der anatomischen Daten der Patienten hat das Unternehmen zusammen mit einem führenden Neurochirurgen die traditionelle Stereotaxie weiterentwickelt. Die erste Anwendung dieser neuen Starfix-Technologie ist die patientenspezifische Microtargeting-Plattform, die für den Patienten nicht nur komfortabler ist, sondern auch eine höhere Genauigkeit sicherstellt und die Arbeitszeit im OP verkürzt. Die Plattform wird mithilfe des Laser-Sinter-Systems Formiga P 100 gefertigt und erreicht dadurch präzise Resultate bei reduzierten Kosten innerhalb kurzer Lieferzeiten.

Operation bei vollem Bewusstsein

Inzwischen werden jährlich mehr als 8.000 Eingriffe zur Tiefenhirnstimulation vorgenommen. Um zu verhindern, dass sich der Patient während der Operation bewegt, wird dessen Kopf bei traditionellen stereotaktischen Rahmen fixiert. Bei dem Eingriff, der sich samt Bildaufnahmen, Lokalisierung der Hirnbereiche und Einsetzen der Elektroden häufig über viele Stunden hinzieht, ist der Patient bei vollem Bewusstsein.

Die von der amerikanischen Arzneimittelzulassungsbehörde FDA genehmigte Plattform besitzt eine individuelle Montageschnittstelle zum Patienten und ermöglicht es, den Operationsplan im Vorfeld des Eingriffs auf ihre Geometrie abzustimmen. Die Patienten profitieren von der Bewegungsfreiheit und einem verbesserten Komfort, die Lokalisierung der Zielbereiche und Positionierung der Elektroden sind effizienter und die Dauer der OP wird bei einem beidseitigen Eingriff um durchschnittlich zwei Stunden verkürzt.

„Mit der Laser-Sinter-Technologie können wir Verbesserungspotenziale für unsere Produkte realisieren.“
Fred Haer, CEO von FHC und Vorstandsvorsitzender von Starfix

Das amerikanische Unternehmen hat bereits früher verschiedene additive Technologien für die Herstellung der Plattform genutzt. Da die Nachfrage inzwischen gestiegen ist, suchte man nach einer Lösung, mit der Produktionsdurchlaufzeiten verkürzt, Kosten reduziert und besondere Gestaltungsvorgaben von Chirurgen schneller umgesetzt werden können. „Wir treiben die Entwicklung stark voran, um auch Produkte für andere chirurgische Spezialgebiete, wie die Orthopädie, zu ermöglichen“, erklärt Fred Haer, CEO von FHC und Vorstandsvorsitzender von Starfix. „Das Laser-Sintern bietet uns hierfür alle Möglichkeiten.“

Vorteil Konstruktionsfreiheit

Im Gegensatz zu den traditionellen, großen, universell einsetzbaren stereotaktischen Rahmen wird jedes Starfix-Gerät im Voraus auf Grundlage von MRT- und CT-Daten patienten- und verfahrensspezifisch gefertigt. Die Planungssoftware setzt drei bis vier Verankerungspunkte im Schädel und gibt dem Chirurgen dann die Möglichkeit, den Zielbereich im Gehirn und den Weg dahin einzugeben. Aufgrund dieser eingegebenen Werte wird eine individuell geformte stereotaktische Führung konstruiert. Diese lässt sich genau auf die Verankerungspunkte setzen und fixiert den Mikroantrieb für die Bildaufnahmen und die Elektrodenpositionierung während der Tiefenhirnstimulation. Die Konstruktionsfreiheit und Präzision der Laser-Sinter-Technologie spiegelt das Konzept des „in die gewünschte Form Wachsens“ wider. Auf Grundlage der Parameter des von der Planungssoftware bereitgestellten intelligenten, unabhängigen und soliden Modells „wächst“ die Halterung in der Laser-Sinter-Anlage innerhalb von ein paar Stunden aus dem Polyamidpulver PA 2201.

Die Entscheidung, die Plattform mithilfe der Laser-Sinter-Technologie fertigen zu lassen, war für die Amerikaner äußerst vorteilhaft. „Unsere neue Maschine ist kleiner, leichter und genauer als die, die wir zuvor eingesetzt haben“, erklärt Ron Franklin, CTO bei Starfix. Das Verfahren ermöglichte es, einige Elemente zusammenzuführen und dadurch das Design von der chirurgischen Plattform zu verfeinern sowie die Montagezeit im OP zu verkürzen. „Wir sind nun in der Lage, mehrere Teile direkt in die Plattform zu integrieren, sodass die Montage verschiedener Geräte einfacher und präziser wird“, erläutert Franklin.

Ein Beispiel dafür ist ein Markierring aus Metall, der früher während des Eingriffs vom Chirurgen auf die Plattform geschraubt wurde. „Jetzt können wir diese Funktion bereits in die lasergesinterte Vorrichtung integrieren“, erklärt er. „Der Chirurg spart Zeit, weil das Teil nicht sterilisiert werden muss und während des Eingriffs nicht auf kleine lose Schrauben zu achten ist.“ Materialeinsparungen sind ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung. Da das eingebrachte Material verwendet wird, ist der Verbrauch insgesamt geringer.


Experten-Tipp

Viele medizinische Geräte und Teile der Laborausstattung sind hochwertige und komplexe Nischenprodukte, die in Kleinserien produziert werden. Für eine konventionelle Fertigung sind häufig teure Werkzeuge erforderlich, deren Kosten auf die Produkte umgelegt werden müssen. Die Additive Fertigung hingegen arbeitet werkzeuglos und ermöglicht deshalb eine wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen in kleineren Serien bis hin zu Losgröße 1.

Die Additive Fertigung, engl.: Additive Manufacturing (AM), bezeichnet einen Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Immer häufiger wird der Begriff „3D-Druck“ als Synonym dafür verwendet. Ersteres beschreibt jedoch besser, dass es sich hier um ein professionelles Produktionsverfahren handelt, das sich deutlich von konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden unterscheidet. Anstatt zum Beispiel ein Werkstück aus einem festen Block herauszufräsen, baut die Additive Fertigung Bauteile Schicht für Schicht aus Werkstoffen auf, die als feines Pulver vorliegen. Als Materialien sind unterschiedliche Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe verfügbar.

Funktionsprinzip am Beispiel des Laser-Sinterns 

Zunächst trägt die Laser-Sinter-Maschine eine dünne Schicht des Pulverwerkstoffs auf die Bauplattform auf. Ein starker Laserstrahl schmilzt das Pulver exakt an den Stellen auf, die die computergenerierten Bauteil-Konstruktionsdaten vorgeben. Danach senkt sich die Fertigungsplattform ab und es erfolgt ein weiterer Pulverauftrag. Der Werkstoff wird erneut aufgeschmolzen und verbindet sich an den definierten Stellen mit der darunterliegenden Schicht. Die Bauteile können je nach Ausgangsstoff und Anwendung auch mit Stereolithografie, selektivem Laser-Sintern oder 3D-Druckern gefertigt werden. Bei komplizierten Eingriffen verwenden Chirurgen zunehmend patienten-spezifische Einweginstrumente. Damit können Implantate präziser eingesetzt werden, was den Operationserfolg für Patienten, Chirurgen und Krankenhäuser erhöht.

Diese individualisierten Instrumente lassen sich ebenfalls per e-Manufacturing herstellen. Der Chirurg erhält ein hochqualitatives und präzises Produkt, das die strengen Maßstäbe für medizinische Anwendungen erfüllt. Gegenüber Mehrweginstrumenten sparen Krankenhäuser Sterilisations- und Lagerkosten und profitieren von höherer Produktivität.

Autor

Über den Autor

Martin Bullemer ist Business Development Manager bei EOS in Krailling. info@eos.info