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18.03.1994

CAx-Techniken halten Einzug in Operationssaele Schweizer Uniklinik testet das stereolithografische Prototyping Von Karl-Ferdinand Daemisch*

Ein Projekt der Basler Uniklinik soll zeigen, ob sich das Verfahren der Stereolithografie fuer medizinische Zwecke einsetzen laesst. Die Methode, die bereits in der Industrie zum Bau von Prototypen eingesetzt wird, koennte sich aufgrund ihrer Flexibilitaet und Praezision auch zur Fertigung von Knochenmodellen eignen.

Es ist ein ganz normaler Tag im Basler Kantonsspital, der Uniklinik im Petersgraben. Eine Gruppe von Aerzten ist zur Operationsbesprechung bei Oberarzt Augustus Jacob, einem Radiologen, versammelt. Ein auf 80 Prozent verkleinertes Kunststoffmodell des Beckens eines 34jaehrigen Mannes liegt auf dem Tisch. Die Nachahmung zeigt zwischen dem Becken und dem rechten Oberschenkelknochen Verwachsungen. Sie versteifen das Hueftgelenk.

Das kuenstliche Becken geht von Hand zu Hand, Finger erfuehlen den Verlauf von Knochen und Verwachsung. Jacob: "Die Chirurgen sehen mit den Haenden." Ihnen sind diese naturaehnlichen Modelle lieber als etwa Fraesteile, die bei der Komplexitaet eines Beckens ohnehin nicht genau zu fertigen waeren.

Das blassgelbe, fast transparente Kunststoffteil entstand aus schichtweise gescannten Aufnahmen der Computertomografie (CT). Daraus wurden graustufige Dichtewerte abgeleitet. Diese digitalen Daten gingen per Diskette an die Proform AG, ein Dienstleistungsunternehmen im schweizerischen Marly.

Mit eigener Software auf einer Sun-Workstation bearbeitet, wurden die CT-Daten in die Computersteuerung eines Stereolithografie- Apparats (SLA) konvertiert. Das Licht eines Laser formte danach aus fotopolymeren Kunststoffen (lichthaertenden Harzen) das Becken eines lebenden Menschen nach. Nach 24 Stunden war das rund 4000 Franken teure 3D-Modell aus vormals 60 in Abstaenden von vier Milli- metern aufgenommenen CT-Schichten aufgebaut.

Bewaehrtes aus der Industrie uebernommen

"Der grosse Vorteil der SL-Modelle wird in der chirurgischen Operationsplanung sichtbar", so Jacob. Der Radiologe mit der nicht alltaeglichen Studienkombination Physik und Medizin befuerwortet Solid-Modelling in der Medizin mit Stereolithografie. Dies ist ein industriell fuer Rapid Prototyping eingesetztes Verfahren. Es wird dort fuer Design- und Fertigungsstudien benutzt.

In der Humanmedizin laufen mehrere Projekte zur SL-Evaluierung. "Der Einsatz eignet sich nur unter bestimmten Kriterien", grenzt Jacob ein, "und ist fast ausschliesslich auf Knochen beschraenkt". Die Bestimmung des Schwellenwerts - gemeint ist ein Differenzieren der Bildgrauwerte zwischen Gewebe und Knochen - ist mit CT trivial. "Vernuenftig eingestellt, ist garantiert, dass nicht zuviel Material ansteht oder Defekte vorgetaeuscht werden."

Der Schwellenwert beschaeftigt auch Informatiker im interdisziplinaeren - hier beispielhaft angefuehrten - Schweizer Wissenschaftsverbund. Internationale Kooperationen sind in Phidias realisiert, dem europaeischen Forschungsvorhaben (Reproduktion von Koerperstrukturen mittels schneller Prototyping-Verfahren, insbesondere Stereolithografie). Daran beteiligt ist etwa Siemens mit den Scannern aus dem Bereich Medizinelektronik.

Das Schweizer Projekt wurde vom Technik- und Wissenschaftsforum "Heureka" aus Anlass der 700-Jahrfeier der Eidgenossenschaft in Zuerich beschlossen. Hier entstand bei Ciba Geigy und Professor Peter Stucki vom Informatik-Institut der Zuericher Universitaet die Idee, Institutsforschung in technischer Bildverarbeitung auf die Medizin auszuweiten.

Die Werte liefern Roentgenbilder der Computertomografen durch in Winkeln aufgenommene Schnittbilder des menschlichen Koerpers. Um die Strahlenbelastung fuer den Patienten moeglichst gering zu halten, erfolgen sie in Abstaenden von wenigstens zwei Millimetern.

Detektoren in einer 50 mal 50 Zentimeter grossen Fensteroeffnung - statt Filmplatten - erfassen die Roentgenstrahlen und geben Dichtewerte wider. Diese liegen zwischen null und zwoelf Bit und werden in zwei Bytes je Pixel mit 4096 mal 2 hoch 12 moeglichen Graustufen hinterlegt.

Die Konvertierung dieser Daten ist jedoch problematisch: Der Hersteller der SLA-Maschinen, 3D-Systems, liefert zwar weit ueber 20 Interfaces zu gaengigen CAD-Systemen, nicht jedoch zu medizintechnischen Geraeten. Die CT-Maschinen von Siemens oder anderen Anbietern wie Philips benutzen zudem nichtkompatible Datenformate.

3D-Rekonstruktion mit Cubes optimieren

Ein weiterer Punkt: Aus den Grauwerten gilt es, 3D-"Knochen" zu modellieren. Der - mit dem Professor nicht verwandte - Mathematiker Heinz Stucki rueckt dem Problem im Multimedia-Labor von Stuckis Institut fuer Informatik zu Leibe. Sein Ansatz war es, aus den Grauwerten Oberflaechen zu erzeugen.

Die Art der Aufnahme bestimmt ebenso wie der Faktor Strahlung die Qualitaet. Ein Ausschnitt umfasst meist nicht mehr als 100 CT- Aufnahmen. Die 3D-Rekonstruktion benoetigt daher Software und den Informatik-Ingenieur zur Generierung der SL-Ausgabe.

Diesen Aufbau erzeugt das Programm mit einem "Marching Cubes" genannten Triangulationsverfahren. Das Prinzip - ein hochaufloesender, zur Konstruktion von 3D-Oberflaechen genutzter und fuer den SL-Zweck etwas abgewandelter Algorithmus - wurde bereits 1987 beschrieben. Die urspruenglich fuer die Visualisierung benutzten Cubes mussten wegen der bei SL benoetigten inneren Konturen geaendert werden.

CT-Dichtedaten lassen sich in Solids umwandeln

Der Visualisierungs-Algorithmus fuer CT-Bilder mit ISO-Flaechen war als Dissertationsarbeit an der Uni Bern entstanden und ist publiziert. Nun lassen sich CT-Dichtedaten in 3D-Flaechen sowie in Vollkoerpermodelle (Solids) und dann in Formate fuer die SLA- Bearbeitung umwandeln. "Unser 3D-Vorgehen macht zusammenhaengende Konturen moeglich", begruendet der Mathematiker Stucki die Wahl von Solid-Modelling.

Das Ueberbruecken zwischen den Zweimillimeterschichten des CTs und des Harzes in der SLA, der pro Durchgang um hoechstens einen halben Millimeter aushaertet, ist das eigentliche technische Problem: Die Leerraeume fuellt Stucki mit Hilfe der wandernden Wuerfel auf. Sie ermoeglichen exakte Oberflaechen durch die Lagebestimmung der CT- Matrix-Punkte und ihrer wahrscheinlichen Verbindungsstrecken zwischen zwei Aufnahme- layern. Der Wuerfel aus Bildpunkten in der oberen und entsprechend in der unteren Schicht tastet die Layer ab.

Er ueberprueft pro Ebene, welche Bildwerte sich auf welcher Schicht innerhalb oder ausserhalb seiner Flaechen befinden. Mit diesen Parametern werden Teile der zu interpolierenden Oberflaeche rekonstruiert.

Der Algorithmus generiert aus den Schnitten immens viele Dreiecke (Meshings). Die Beschreibung eines - relativ einfachen - Fersenbeins im Fussskelett benoetigt beispielsweise bis zu 200 000 Dreiecke. Schaedel hingegen stellen mit ihren Ueber- und Hinterschneidungen noch weit komplexere Strukturen dar.

Daher benoetigt eine Berechnung des eigentlichen 3D-Modells die Maschinen-Power einer RS/6000.

100-MB-Modell benoetigt sieben Stunden Rechenzeit

Die Generierung eines etwa 100 MB umfassenden Schaedelmodells verlangt auf der IBM-Maschine noch eine Rechenzeit von rund sieben Stunden. Stucki versucht jetzt, die Anzahl der Dreiecke zu reduzieren.

Durch ein anderes Verfahren entstand die Nachbildung "Schaedel mit Tumor" des belgischen Anbieters Materialise N.V., die 1992 als bestes SL-Modell ausgezeichnet wurde. Die Firma 3D-Systems stellte ihn im letzten Jahr auf der Stuttgarter Messe CAT aus. Das PC- basierte System geht, anders als die 3D-Modellierung, von den vorhandenen CT-Schichten aus und fuellt diese entlang einer Kontur mit Flaechen auf. Dieses Slicing-Verfahren erfordert jedoch sehr komplexe Berechnungen.

Nach Schwellenwertbestimmung und von den Cubes getaner Arbeit folgt die normale Stereolithografie mit handelsueblichen Harzen. Die Produktion uebernehmen Ultraviolettlaser. Ein PC zerlegt das digitale Datenmodell in Querschnitte und bildet daraus x/y- Koordinaten zur Steuerung des Lasers. Entsprechend zeichnet dieser dann seinen Strahl in die Polymer-Fluessigkeit. Sie haertet an den vom Licht getroffenen Stellen in duennen Filmen Schicht um Schicht aus.

Eingesetzt werden Harze mit hoher Schlagfestigkeit. Fuer den Aufbau des Beckens benoetigt eine SL-Maschine etwa 12 Stunden. Mit neuen Harzen soll der Aufbau derart komplexer Strukturen dann noch knochenaehnlicher und bis zu 40 Prozent schneller erfolgen.

Last but not least hat Chemie das SL-Verfahren erst ermoeglicht. Dafuer steht ein Name: die Ciba Geigy in Basel. Ausser in der Pharmazie ist der Konzern mit einer Division auch in der Kunststoffchemie aktiv. Sie liefert derzeit aus den USA etwa 80 Prozent des Weltmarktbedarfs an fotopolymeren Acrylatharzen. Bis 1989 war Ciba am amerikanischen Entwickler der Stereolithografie, Spectra Physics, beteiligt. Dieses Unternehmen entwickelt Laser fuer die Vermessungstechnik. Auch beim Anbieter der SL-Maschinen und Patenthalter des Verfahrens, 3D-Systems im kalifornischen Valencia, ist Ciba finanziell engagiert.

Die Medizin kennt die mit dem dreidimensionalen Drucken vergleichbare Stereolithografie seit etwa zehn Jahren. In Amerika wurden mit ihrer Hilfe etwa kuenstliche Hueftgelenke so weit vorgefertigt, dass sie sich ohne Nacharbeit waehrend der Operation einsetzen liessen.

Das Sinter-Verfahren ist nicht praezise genug

Die Europaeer bevorzugten den Weg der Kunststoffschaedel, Becken, Wirbelsaeulen oder Fussskelette fuer die praeoperative Planung. Andere Methoden des Rapid Prototyping wie etwa das Sinter-Verfahren haben hier Nachteile: Den "mit den Haenden sehenden Chirurgen" sind die Modelle nicht naturgetreu genug.

"Plastische Rekonstruktionen nach Unfaellen, etwa des Mittelgesichts mit seiner komplexen anatomischen Struktur, lassen sich mit Modellen besser planen", argumentiert Jacob. Die Wiederherstellungs-Chirurgie sieht er daher als ein Haupteinsatzgebiet fuer die SL-Modelle an.

Daneben kommt die Orthopaedie in Frage, zu der Ciba Geigy vor zwei Jahren erstmals Kontakt aufnahm. "Wir Radiologen sind mit im Spiel, weil wir die Ursprungsdaten liefern", so Jacob zum SL- Werdegang am Kantonsspital. Eine klinische Evaluierung soll Anhaltspunkte liefern, ob Modelle zu einer verbesserten medizinischen Versorgung beitragen. Probleme gibt es jedoch nicht nur hier, sondern auch im rechtlichen Bereich. Ob und unter welchen Voraussetzungen die Krankenkassen und Versicherungen die Kosten fuer ein Modell uebernehmen, ist noch offen. "Die Antwort auf die Frage, wieviel tausend Franken der Patient die Kasse weniger kostet, weil wir dieses Modell gebaut haben, ist ausserordentlich schwer zu finden", schraenkt der Radiologe ein.

Diese Eroerterungen bestimmen heute die medizinische Diskussion. Nachweise werden ueber prospektive Parallelstudien durch Patientengruppen mit und ohne Modell gesucht. Das gestaltet sich jedoch extrem schwierig: Es handelt sich immer um komplexe Missbildungen - und kaum eine aehnelt der anderen. Fuer Standardfaelle, darin herrscht Einigkeit, reichen Standardoperationsverfahren ohne Modell auch weiterhin aus.

*Karl-Ferdinand Daemisch ist freier DV-Journalist in Muenchen.