Projekte

Durch die Vielseitigkeit des 3D-Drucks kommt er für verschiedenste Forschungsthemen zum Einsatz. Hier werden die vielen unterschiedlichen Projekte, die im 3D-Druck Labor umgestzt werden vorgestellt. 

Ein Forschungsschwerpunkt des 3D-Druck Labors sind individuelle Phantome für die Radiologie und Nuklearmedizin. Dabei liefert der 3D-Druck, im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmethoden, die Möglichkeit patientenindividuelle anatomisch korrekte Organnachbildungen zu erstellen. Bisher konnte die Form der Organe nur näherungsweise nachempfunden werden, was aber nicht dem Fortschritt der modernen Medizin entspricht.

Durch die wachsende Popularität des 3D-Drucks gibt es mittlerweile eine Vielzahl an verfügbaren Matierialien, die es wiederum erlauben auch die unterschiedlichen Gewebeeigenschaften hinsichtlich der Wechselwirkung mit Röntgenstrahlen korrekt nachzustellen.

Für die Qualitätssicherung in der Nuklearmedizin gibt es ein Standard Bodyphantom. Angelehnt an dieses wurde an der OTH Weiden ein weiterentwickeltes und auf die individuellen Forschungsfragen angepasstes Bodyphantom entwickelt und erstellt. 

In dieses Bodyphantom können alle im Folgenden angeführten Organ- und Gewebephantome integriert werden.

Durch die Kommerzialisierung des 3D-Drucks kommen stetig neue Materialien dafür auf den Markt. Das ermöglicht es eine Vielzahl verschiedener Materialien und Materialkombinationen zu untersuchen. Eine Materialkombination, die ursprünglich für den 3D-Druck von “Steinzeug” gedacht war, ist der Trägerkunststoff PLA versetzt mit Steinpulver. Im 3D-Druck Labor der OTH wird dieses Filament allerdings dafür verwendet Knochenphantome herzustellen. Durch den Zusatz des Steinpulvers kann mit dem Material die hohe Röntgendichte von Knochen simuliert werden.

Durch die Variation von Druckparametern wie der Fülldichte können sowohl die unterschiedlichen Knochenkompartimente als auch verschiedene knöcherne Strukturen des menschlichen Körpers anatomisch korrekt und mit den exakten Eigenschaften hinsichtlich der Röntgenbildgebung nachgebildet werden.

Femur eines Schweins

Der Oberschenkelknochen eines Schweins war das erste einer Vielzahl von Knochenphantomen. Als Vorlage dafür wurde ein echter (präparierter) Knochen verwendet. Von diesem wurden mit dem CT (Siemens Somatom Emotion 6) der Hochschule mehrere Aufnahmen gemacht und hinsichtlich der HU-Werte, die die Röntgenabschwächung wiederspiegeln, ausgewertet. Daran anschließend wurden aus verschiedenen verfügbaren Filamenten mit dem Trägerstoff PLA und mineralischen oder metallischen Zusätzen Testkörper gedruckt sowie CT-Aufnahmen davon angefertigt und ausgewertet. Aus den vielversprechendsten Kombinationen wurden im Anschluss zwei Versionen des Knochenphantoms gedruckt. 

Ausgehend von diesem initialien Projekt wurden noch eine Reihe weiterer Knochenphantomen entwickelt.

Wirbelsäule

Da der Fokus in der Forschung auf der Entwicklung von menschlichen gewebeäquivalenten Phantomen liegt, wurden die aus dem Schweinefemur gewonnenen Erkenntnisse verwendet um in einem ersten Schritt einen einzelnen Lendenwirbel zu drucken. Dafür wurde ein zu Forschungszwecken verfügbarer CT-Datensatz der Lendenwirbelregion herangezogen und ein einzelner Lendenwirbel segmentiert, gedruckt und im CT untersucht. Aufbauend darauf wurde die komplette Brustwirbelsäule inklusive Bandscheiben segmentiert und gedruckt.

Brustkorb

Ein Forschungsschwerpunkt liegt in der Dosismessung am Herzphantom. Um die Wechselwirkung und Rückstreuung der Strahlung mit dem umliegenden Gewebe berücksichtigen zu können, wurde neben einem Lungen- auch ein Brustkorbphantom gedruckt. Hierfür wurde der gleiche CT-Datensatz wie für die Brustwirbelsäule herangezogen und segmentiert, aber getrennt von der Wirbelsäule gedruckt.

Schädel

Am Universitätsklinikum in Erlangen wurde ein 3D-gerucktes Gehirnphantom für eine Fragestellung in der aktuellen Forschung erstellt. Passend dazu wurde an der OTH ein Schädelphantom gefertigt, da die dichten Knochenstrukturen einen Einfluss auf die Messungen am Gehirn haben.

Beckenschaufeln, Femuransatz sowie Kreuz- und Steißbein

Neben der Messungen am Herzen wird sich ein neuer Forschungsschwerpunkt um die Prostata drehen. Dafür wurden bereits die betreffenden Knochenphantome wie Beckenschaufeln, Femuransatz sowie Kreuz- und Steißbein gedruckt.

Neben den Knochenphantomen gibt es auch mehrere an Organphantomen.

Lunge

Das Lungenphantom ist für die Organdosismessungen am Herzphantom als direkter Nachbar sehr wichtig. Als Grundlage dient ein CT-Datensatz, der für Forschungszwecke freigegeben ist, aus dem die Lunge segmentiert wurde. Das Lungenphantom wurde so konzipiert, dass es aus den beiden getrennten und nach außen hin abgeschlossenen Lungenflügeln, ohne Luftröhre, besteht. Es ist aus einer dünnen PLA+-Hülle gefertigt und mit einem Modellierschaum gefüllt. So können die Struktur und die Eigenschaften hinsichtlich der Gammastrahlung nachgestellt werden. 

Leber

Auch für das Leberphantom dient ein für Forschungszwecke freigegebener CT-Datensatz als Grundlage. Da das Leberphantom die Möglichkeit bieten soll mit Aktiviät gefüllt werden zu können, wurde es als zweiteiliges Phantom konstruiert. Die Phantomhülle besteht wiederum aus PLA+ und wird mit Agar-Agar, das bei Bedarf mit Tc-99m versetzt wird, gefüllt. Dabei wurden unterschiedliche Ansätze für den Verschlussmechanismus sowie die Positionierung der für die Dosismessungen verwendeten Thermolumineszenzdosimeter (TLD) verfolgt.

Niere

Der OTH Weiden steht ein Nierenphantom aus einer PLA-Hülle, die mit Tc-99m gefüllt werden kann, als Leihgabe der Klinik für Nuklearmedizin des Universitätsklinikums Erlagnen zur Verfügung.

Herz 

Das Herzphantom zählt zu den Organphantomen, da es aber durch die Option der 4D-Bildgebung eine Besonderheit darstellt wird hat es eine Sonderstellung.

News: Phantom statt Mensch

In der jetzigen Fülle an Materialien für den FDM-3D-Druck gibt es auch Thermoplastische Polyrethane (TPU), die es erlauben flexibles Bauteile zu drucken, sowie silikonähnliche Resine für den SLA-3D-Druck.

In der Orthopädietechnik hält der 3D-Druck Einzug. Er wird als neue Technik für die Fertigung individueller Schuheinlagen herangezogen. In Zusammenarbeit mit einem Sanitätshaus wurde nach deren Vorlage eine elastische Schuheinlegesohle mit mehreren Zonen mit unterschiedlichen Härtegraden gedruckt.

Druch die stete Weiterentwicklung der Organphantome hin zu befüllbaren Phantomen, wurde es nötig diese Phantome abzudichten. Dafür können Moosgummi- oder Dichtschnüre verwendet werden, die in vielen Dicken verfügbar sind. Nichtsdestotrotz sind die kommerziell verfügbaren Dichtungen nicht immer geeignet die Phantome abzudichten. Deshalb wurden verschiedene TPU-Materialien auf ihre Eignung als individuelle Dichtung getestet. Ein Vorteil dieser Möglichkeit der Abdichtung der Phantome ist, dass die Dichtung in einem Guss mit dem Phantom gedruckt werden kann und somit fest verbunden ist und sich nicht beim Zusammenbau verschiebt und einklemmt bzw. beim Auseinderbau löst.

Flexible Materialien gibt es nicht nur für den FDM-3D-Druck, sondern auch für den SLA-3D-Druck. Mit dieser Technik können noch weichere Materialien als beim FDM-3D-Druck verarbeitet werden. So ist ein geringerer Anpressdruck bei der Abdichtung der Phantome nötig, wodurch eine längere Haltbarkeit der Phantome erwartet wird. Der Nachteil ist allerdings, dass diese Dichtungen wie auch die kommerziell verfügbaren Dichtungen in das gedruckte Phantom eingelegt werden müssen. Durch die Optimierung der Form der jeweiligen Dichtung kann dieser aber minimiert werden.

Carbonfaserverstärkte Materialien haben den großen Vorteil, dass sie in der Röntgenbildgebung durch ihre schwache Wechselwirkung mit der Röntgenstrahlung gegenüber dem menschlichen Körper nicht ins Gwicht fallen. Weshalb auch die Liegen in der Radiologie aus diesen Materialien gefertigt werden. Dieser Materialverbund kann also für Bauteile genutz werden, die bei der Röntgenuntersuchung mit im Strahlengang liegen, die Quailtät des Bildes aber nicht abschwächen sollen.

Die Mehrheit aller Gebrauchsgegenstände ist für eine Normbevölkerung ausgelegt. Wer aber nicht diesen Normmaßen entspricht hat es mitunter schwer. Deshalb wurden an der OTH mehrere Lagerungshilfen entwickelt, darunter auch eine Verlängerung für herkömmliche Liegen in Radiologie auf der der Kopf des Patienten gelagert werden kann.

Im Rahmen eines Laborauftrags durch die Firma Pausch Medical GmbH wurden Adapter zur Halterung von Spülbeuteln, die in der Urologie benötigt werden aus carbonfaserverstärktem Kunststoff in eine Kleinserie gefertigt. Da die Bauteile direkt am Patiententisch angebracht sind und beim Einsatz von Röntgentechnik die Bildqulität geringstmöglich beeinflussen sollen, wird auf den carbinfaserverstärkten Kunststoff gesetzt.