Artikel: Wehrmedizinische Monatsschrift 7/2018

Stellenwert der 3D-Druck-Technologie für die Diagnostik und -Behandlung komplexer Frakturen in der modernen Unfallchirurgie

Aus der Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie (Klinischer Direktor: Prof. Dr. C. Willy) des Bundeswehrkrankenhauses Berlin (Kommandeur und Ärztlicher Direktor: Admiralarzt Dr. K. Reuter)

Importance of 3D-printing technology for diagnostics and treatment of complex fractures in modern orthopedic surgery

Zusammenfassung

Einleitung: Der 3D-Druck ist in vielen industriellen Bereichen bereits seit Jahren fest etabliert. Auch in der Medizin erfolgt die Nutzung der 3D-Druck-Technologie bereits seit mehreren Jahrzehnten in unterschiedlichen Fachdisziplinen. Mittels 3D-Druck werden individuelle Modelle, Implantate und Transplantate gefertigt. In der Orthopädie und Unfallchirurgie wird diese Technologie bereits kommerziell genutzt, insbesondere im Rahmen der individuellen Endoprothetik. In diesem Artikel soll der Stellenwert des 3D-Drucks in der deutschen Unfallchirurgie für die Versorgung komplexer Frakturen evaluiert werden.

Methodik: Es erfolgte eine Literatur-Recherche (PubMed, Stand 24.01.2018) mit den Keywords: „3D-Print“ und „3D-Printing“ unter dem Kriterium „title“ zur Identifizierung deutscher Kliniken, die 3D-Druck im Rahmen der Frakturversorgung nutzen. Mittels einer allgemeinen Internetrecherche wurde nach 3D-Druck-Dienstleistern mit Erfahrung in der Herstellung von Frakturmodellen gesucht, um so auf weitere Kliniken rückschließen zu können. Den identifizierten Kliniken mit 3D-Druck-Nutzung wurde ein standardisierter Fragebogen zur Evaluation ihres Nutzerverhaltens und der Indikationsstellung zugesandt.

Ergebnisse: Die Anzahl der Publikationen zum Thema 3D-Druck und Frakturversorgung ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen; diese stammen hauptsächlich aus Asien und den USA. In Deutschland konnten nur acht Kliniken identifiziert werden, die 3D-Modelle vor allem zur Operationsplanung und Implantatvorbereitung nutzen – mit Schwerpunkt bei der Behandlung von Beckenfrakturen. Der Benefit für den Patienten wird in erster Linie in verringerter Operationszeit, gesunkenem Blutverlust und geringerem Umfang an intraoperativer Bildgebung gesehen.

Schlussfolgerung: Die Anwendungshäufigkeit von 3-D--Druck zur Behandlung komplexer Frakturen in der deutschen Unfallchirurgie entspricht nicht den erzielbaren Vorteilen und sollte weiter ausgebaut werden.

Schlüsselwörter: Unfallchirurgie, 3D-Druck-Technologie, Acetabulumfrakturen, Operationsplanung, Patientennutzen

Summary

Introduction: 3D-printing is an established technology for industrial purposes. During the last decade it has come into use in different medical disciplines too, for printing of models, implants and transplants. In the field of orthopedic surgery 3D-printing is used commercially, mainly for manufacturing individual endoprosthetic devices. In this article we evaluate the current significance of 3D-printing for treatment of complex bone fractures in German orthopedic hospital departments.

Methods: A literature review (PubMed, status as at 24 January 2018) with keywords ´3D-Print´, ´3D-Printing´under the criteria ´title´ was performed to identify German hospitals using 3D-printig for treatment of bone fractures. Commercial manufacturers of fracture models were identified by a common internet search (Google) to infer to other orthopedic hospitals using 3D-printing. A standardized questionnaire was send to the identified hospitals to evaluate user behavior and medical indication for use of 3D-printing.

Results: The amount of publications about 3D-printig has increased during the last years, mainly in the USA and Asia. We could identify only 8 hospitals in Germany using 3D-printing in orthopedic surgery for surgical planning and implant preparation with a focus on pelvic (acetabulum) fractures. Reduced operation time and intraoperative x-ray as well as reduced blood loss were seen in most studies leading to a benefit for the patient. 

Conclusions: The frequency of 3D-printig for the treatment of complex bone fractures in German orthopedic hospitals does not correspond to the achievable benefit for the patients from this technology.

Keywords: orthopedic surgery, 3D-printing technology, acetabulum fracture, pelvic fracture, operation planning, benefit for patients

Einleitung

Im medizinischen Bereich hat die 3D-Drucktechnologie bereits seit ungefähr drei Jahrzehnten feste Anwendungsbereiche [5]. So finden sich Beispiele für ihre Anwendungen in vielen medizinischen Disziplinen, z. B. in der Orthopädie, Kardiochirurgie, Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie, Neurochirurgie oder Viszeralchirurgie [6, 8, 10, 14, 15 - 17, 19, 20, 23, 25]. Der Nutzen der 3D-Druck-Technologie wird im internationalen Umfeld für das große Feld der präoperativen Vorbereitung beschrieben, wie beispielsweise in der Kardiochirurgie zur besseren Visualisierung der Pathologie [16, 17]. In der Orthopädie besteht darüber hinaus die Möglichkeit, patientenspezifische Implantate und Prothesen beispielsweise aus Titan herzustellen, die nicht optimal passende Standardprodukte ersetzen können [13, 18]. Einige Hersteller bieten individuell gefertigte Endoprothesen in kommerziellem Umfang an [1].

Eine sehr innovative Forschungsrichtung beschäftigt sich mit dem Bioprinting, wobei lebende Zellen und biologische Moleküle als Druckmaterial die Grundlage bilden, aus denen dreidimensionale Strukturen gebildet oder die auf Modellstrukturen aufgetragen werden [7]. In den meisten heutigen Anwendungsfällen werden jedoch auf der Basis von Datensätzen schnittbildgenerierender Untersuchungen Kunststoffmodelle gedruckt. So werden DICOM[¹]-Datensätze der Computertomographie (CT), der Magnetresonanztomographie (MRT) oder der Echokardiographie nach Bearbeitung mit einer Computersoftware in druckreife „Standard Tessellation Language“ (STL) - Dateien umgewandelt [2, 3, 12, 15 - 17, 20 - 23, 30]. Aus diesen STL-Dateien wird mit Hilfe verschiedener Druckmethoden, die sich hinsichtlich Drucktechnik, Druckmaterial, Kostenaufwand und qualitativem Ergebnis unterscheiden, ein dreidimensionales patientenindividuelles Modell von Weichgewebestrukturen oder Knochen erstellt. Die meist genutzte Druckmethode ist der „Fused-deposition modeling“ (FDM)–Druck. Dabei wird das Modell schichtweise aus schmelzfähigen ca. 1 - 2 mm dicken Thermoplastik-„Fäden“ hergestellt [15]. Der „Selective laser sintering“ (SLS)-Druck ist eine andere häufig benutzte Druckmethode, bei der mit Hilfe eines Lasers schichtweise ein pulveriges Material zu einer festen Struktur gesintert wird, was jedoch mit einem erheblich höheren finanziellen Aufwand verbunden ist [13]. Als weitere – und älteste – patentierte Technik hat sich der „Stereolithography“ (SLA)-Druck etabliert, bei dem durch einen schichtweisen Aufbau mit einem durch Laser erhärtenden Flüssigharz (Resin) Modelle in hoher Auflösung produziert werden [13].

Im internationalen Schrifttum finden sich Hinweise auf eine Verwendung der 3D-Druck-Technologie in der Orthopädie und Unfallchirurgie für die Behandlung von komplexen Frakturen, wie zum Beispiel bei Acromion-, Handgelenk-, Trimalleolar-, Humerus- und Acetabulumfrakturen [2 - 4, 12, 23, 25 - 27, 30]. Mehrfach wird dargestellt, dass besonders für komplexe Frakturen der 3D-Druck wichtige Impulse für die moderne Unfallchirurgie geben könnte.

Vor diesem Hintergrund soll diese Arbeit Antworten auf folgende Fragestellungen geben:

  1. In welchen Ländern wurden Publikationen zur Thematik des 3D-Drucks in der Orthopädie und Unfallchirurgie veröffentlicht?
  2. Bestehen Hinweise darauf, dass die 3D-Druck-Technologie in der deutschen Orthopädie und Unfallchirurgie bereits für die Behandlung komplexer Frakturen eingesetzt wird?
  3. Können die Frakturen, für die der Einsatz der 3D-Druck-Technologie sinnvoll ist, eindeutig identifiziert werden?
  4. Besteht Evidenz dafür, dass der Einsatz der 3D-Druck-Technologie im Rahmen der Behandlung komplexer Frakturen mit einem Benefit für den Patienten verbunden ist?

Methodik

Literaturrecherche
Am 24.01.2018 wurde eine Literaturrecherche in PubMed nach internationalen Publikationen zum 3D-Druck in der Medizin durchgeführt (Kriterium ‚title’, Schlüsselwörter: „3D-Print“, „3D-Printing“).

Um Publikationen aus dem Bereich der Orthopädie und Unfallchirurgie herauszufiltern, wurde mittels der Literaturverwaltungssoftware EndNote mit den Schlüsselworten: „fracture“, „trauma“ und „ortho“ gesucht und anschließend die Abstracts der gefilterten wissenschaftlichen Arbeiten auf ihre Relevanz für die Fragestellungen untersucht. Die dabei gefundenen relevanten Artikel wurden einer Volltextanalyse unterzogen. Die Auswertung der wissenschaftlichen Arbeiten erfolgte mittels der Tabellenkalkulations-Software Microsoft Excel®.

Web-Suche
Zur Identifizierung von Kliniken und Krankenhäusern in Deutschland, die die 3D-Druck-Technologie bei der Behandlung von komplexen Frakturen in der Orthopädie und Unfallchirurgie einsetzen, wurde die Teilliste der Publikationen aus dem Bereich der Orthopädie und Unfallchirurgie nach Veröffentlichungen aus deutschen Kliniken zur Behandlung komplexer Frakturen durchsucht (Filter „authors address“ in Endnote). Außerdem wurde am 19.12.2017 eine Suche mit Google.de durchgeführt, um aus Klinik-Websites, Fachzeitschriften und Zeitungsartikeln weitere Kliniken zu finden (Suchkombinationen: „3D-Druck Unfallchirurgie Deutschland“, „3D-Modelle Fraktur Deutschland“), die 3D-Drucktechnik anwenden. Zeitgleich erfolgte ebenfalls mit Google.de eine Recherche zu 3D-Druck-Dienstleistern in Deutschland, die in den medizinischen Sektor liefern (Suchkombinationen: „3D-Druck Unfallchirurgie Deutschland“, „3D-Modelle Fraktur Deutschland“). Aus dem Ergebnis der recherchierten Firmen und Kliniken erschloss sich dann die Möglichkeit, weitere 3D-Drucktechnik nutzende Kliniken zu identifizieren („Schneeballsystem“).

Umfrage zur Implementierung der 3D-Druck-Technik in deutschen unfallchirurgischen Kliniken
Es wurde ein standardisierter Fragebogen erstellt, der eine weitere und genauere Klassifizierung der Nutzung des 3D-Drucks in den diese Technik anwendenden deutschen unfallchirurgischen Kliniken erhob (Versand mittels E-Mail, ggf. postalisch und nach Telefonkontakt). Der Fragenkatalog (Tabelle 2) zielte darauf ab, die Anzahl bereits erfolgter 3D-Drucke, insbesondere in den letzten zwölf Monaten, die Häufigkeit und das Anfangsjahr der 3D-Druck-Nutzung, die Art der behandelten Frakturen, sowie die Verwendungsart der erstellten 3D-Modelle zu erheben. Hierbei wurde der Schwerpunkt auch auf Details zum Herstellungsprozess gelegt (z. B. klinikintern oder extern, Drucktechnik, Mate-rial, usw.). Weiterhin wurden Fragen gestellt, die sich auf den etwaigen klinischen und wissenschaftlichen Nutzen sowie den merkantilen Wert eines 3D-Frakturmodells bezogen. Zudem wurden die Adressaten nach ihnen bekannten weiteren 3D-Druck-Nutzern im Rahmen der Frakturversorgung gefragt.

Statistik und Auswertung
Die Antworten der zurückgesandten Fragebögen wurden in eine Excel-Tabelle übertragen. Am 25.01.18 erfolgte die letzte Dateneingabe; alle bis dahin erhaltenen beantworteten Fragebögen flossen in die Berechnung der Ergebnisse mit ein, zurück-erhaltene Fragebögen nach dem Auswertungsdatum wurden nicht mehr berücksichtigt. Bei allen Recherchen und Auswertungen wurden die gesetzlichen Richtlinien und Bestimmungen beachtet.

Ergebnisse

PhotoAbb. 1: Peer reviewed-Veröffentlichungen zum Thema 3D-Druck in der Medizin im Zeitverlauf (n= 710 ohne Publikationen aus dem Jahre 2018 (Stand der Recherche 24.01.2018, 39 weitere Arbeiten wurden 2018 veröffentlicht) PhotoAbb. 2: Herkunftsländer der peer reviewed-Veröffentlichungen zum Thema 3D-Druck in der Medizin (n=710 ohne Publikationen aus dem Jahre 2018, Stand der Recherche 24.01.2018) Literaturanalyse – Anzahl der Publikationen
Die Literaturrecherche zur 3D-Druck-Technologie ergab 749 Treffer. Hier zeigt sich eine eindrucksvolle Zunahme der Anzahl publizierter wissenschaftlicher peer-reviewed Arbeiten in den letzten fünf Jahren (Abbildung 1). Im Jahre 2018 waren bis zum Zeitpunkt der Literaturrecherche (24.01.2018) bereits 39 Publikationen erschienen (hochgerechnet auf das Jahr 2018, n > 500 Artikel). Die Veröffentlichungen kommen zu einem großen Teil aus dem englischsprachigen Raum, vor allem aus den Vereinigten Staaten mit 212 und dem Vereinigten Königreich mit 61 Publikationen. Eine wichtige Rolle spielt auch der asiatische Raum, hierbei insbesondere die Volksrepublik China mit 118 und die Republik Korea mit 37 publizierten wissenschaftlichen Arbeiten. Der europäische Kontinent insgesamt kommt auf 191 Werke (Deutschland: n = 25 Publikationen, Schweiz und Frankreich: je n = 18 veröffentlichte wissenschaftliche Arbeiten (Abbildung 2)).

PhotoAbb. 3: Peer reviewed-Veröffentlichungen zum Thema 3D-Druck im Fachgebiet Orthopädie und Unfallchirurgie im Zeitverlauf (n= 99, Stand der Recherche 24.01.2018, zwei weitere Arbeiten wurden 2018 veröffentlicht) Von den insgesamt 749 Artikeln wurden 101 im Fachbereich Orthopädie und Unfallchirurgie publiziert. In den letzten 5 Jahren kam es zu einer erheblichen Zunahme der Publikationszahlen (Abbildung 3). Es besteht auch hier ein geographischer Veröffentlichungsschwerpunkt im asiatischen Raum mit 56 Publikationen, insbesondere in der Volksrepublik China (n = 47) (Abbildung 4). Der europäische Kontinent ist an zweiter Stelle mit 28 veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten zur 3D-Druck-Technologie in der Orthopädie und Unfallchirurgie. Insgesamt vier der 101 Publikationen stammen aus Deutschland:

  • Medizinische Hochschule Hannover (MHH) (3D-gedruckte Operationshilfe bei externem Fixateur, einzige deutsche Publikation, bei der es um die 3D-Drucktechnologie bei der Behandlung von Frakturen geht),
  • Helios ENDO Klinik Hamburg (3D-gedruckte Acetabulum-Komponente),
  • Technische Universität Dresden – Universitätsklinikum Carl Gustav Carus (Tinte für skeletales 3D-Bioprinting) und
  • Medizinisches Versorgungzentrum Gensingen (3D-gedrucktes Skoliose-Korsett).

Von den wissenschaftlichen Arbeiten zum 3D-Druck in der Orthopädie und Unfallchirurgie beschäftigen sich 8 Publikationen mit dem Benefit der 3D-Druck-Technologie zur Behandlung komplexer Frakturen mittels individueller Frakturmodelle.

PhotoAbb. 4: Herkunftsländer der peer reviewed-Veröffentlichungen zum Thema 3D-Druck im Fachgebiet der Orthopädie und Unfallchirurgie (n=101, Stand der Recherche 24.01.2018) Literaturanalyse – Indikation des 3D-Drucks von Frakturmodellen
Insgesamt fanden sich in den recherchierten Publikationen zum Themenbereich Orthopädie und Unfallchirurgie 46 Arbeiten, die sich mit dem Einsatz der 3D-Druck-Technologie in der Behandlung von Frakturen befassten. Mit den fünf Aussagen zu den häufigsten behandelten Frakturarten der Fragebögen (siehe unten) und den 46 recherchierten wissenschaftlichen Veröffentlichungen erhält man Informationen von n = 51 Anwendern. Diese zeigen, dass die 3D-Druck-Technologie mit Abstand am häufigsten bei Diagnostik und Therapie von Beckenfrakturen eingesetzt wird (n = 15 Acetabulumfrakturen, n = 5 pelvine Frakturen allgemein) (Abbildung 5). Zusätzlich fanden sich Nutzungen in der Behandlung von Calcaneus-, -Femur-, Humerus-, Ellbogen-, Acromion-, Radius-, Sprung-gelenk-, Unterschenkel-, Clavicularfrakturen, sowie Frakturen langer Röh-ren-knochen und des Fußes bzw. des Knöchels.

PhotoAbb: 5: Frakturlokalisation, für die mittels 3D-Druck-Technologie Modelle der ggf. komplexen Frakturformen erstellt werden (Analyse der n = 101 peer reviewed-Artikel in Orthopödie und Unfallchirurgie, Stand 24.01.2018, inkl. Fragebogenergebnisse) Literaturanalyse – Benefit durch 3D-Druck
Insgesamt wurden acht Artikel identifiziert, die den Benefit der 3D-Druck Technologie zur Behandlung komplexer Frakturen in der Orthopädie und Unfallchirurgie mittles individueller -Frakturmodelle analysierten. Die Veröffentlichungen beschäftigen sich mit der Therapie von Acetabulum-, Humerus-, Tibiaplateau-, Ellbogen-, Calcaneus- und distalen Radius-Frakturen. Alle Studien vergleichen je eine 3D-Druck-Interventionsgruppe und eine Kontrollgruppe (Fallzahl je zwischen 21 und 107) [3, 9, 11, 12, 24, 25, 28, 29] (Tabelle 1). In allen Publikationen wurden der intraoperative Blutverlust und die Operationszeit zwischen den Gruppen verglichen; dabei wurde in sieben der acht Studien eine signifikante Senkung (p < 0.05) beider Parameter in der 3D-Druck-Interventionsgruppe im Vergleich zur jeweiligen Kontrollgruppe festgestellt. Passend dazu war das Transfusionsvolumen in der einzigen Studie mit diesem Zielparameter signifikant geringer [9]. Ebenso sank die Strahlenbelastung für die intraoperative Bildgebung in allen sechs Studien signifikant; die Komplikationsinzidenz nahm in einer von zwei Studien signifikant ab [3, 9, 11, 25, 28, 29]. Der finale funktionelle Outcome, gemessen mittels verschiedener Funktiontests, zeigte sich in einer von vier Publikationen signifikant verbessert [3, 24, 28, 29]. Währenddessen konnte die Frakturreposi-tion in zwei Veröffentlichungen, die dieses Kriterium untersuchten, nicht signifikant verbessert werden [9, 24].

PhotoTabelle 1: Benefit der 3D-Drucktechnologie bei der Behandlung komplexer Frakturen in der Orthopädie und Unfallchirurgie Fragebogenauswertung
Über die Internet-Recherche (google.de) nach Kliniken, die die 3D-Druck-Technologie in Deutschland zur Behandlung komplexer Frakturen anwenden, wurden zwei Kliniken gefunden, nämlich das

  • Klinikum Dahme-Spreewald und
  • die BG Unfallklinik Frankfurt/Main.

Die Suche nach 3D-Druck-Dienstleistern in Deutschland führte zu vier weiteren Kliniken:

  • Carl-Thiem-Klinikum Cottbus,
  • Charité (Universitätsmedizin Berlin),
  • Unfallkrankenhaus Berlin und
  • Klinikum der Universität München.

PhotoTabelle 2: Ergebnisse der zurückerhaltenen Fragebögen; * Unfallkrankenhaus Berlin, ** Bundeswehrkrankenhaus Berlin Mit Hilfe der Fragebögen konnten keine weiteren Kliniken identifiziert werden. Insgesamt wurden mit den dargestellten Recherchemethoden somit nur acht Krankenhäuser in Deutschland gefunden, die 3D-Druck im Rahmen der Behandlung komplexer Frakturen in der Orthopädie und Unfallchirurgie einsetzen. Es stellte sich heraus, dass der Ansprechpartner im Klinikum Dahme-Spreewald auch für das Unfallkrankenhaus Berlin zuständig war und die Daten beider Kliniken deshalb nur summiert weitergegeben werden konnten; somit ergab sich die Anzahl von sieben potenziell auszufüllenden Fragebögen. Von diesen wurden fünf beantwortet und zurückgesendet (Tabelle 2).

Als erste deutsche Kliniken begannen das Unfallkrankenhaus Berlin und das Klinikum Dahme-Spreewald 2014 mit der Nutzung des 3D-Drucks, alle anderen frühestens im Jahre 2016. Vier von fünf Krankenhäusern gaben die Acetabulumfraktur als häufigste mit Hilfe der 3D-Drucktechnik behandelte Frakturart an. Der Nutzungsschwerpunkt insgesamt liegt auf der Operationsplanung und Visualisierung sowie der spezifischen Operationsvorbereitung, ferner beim Vorkonfektionieren von Platten und dem präoperativen Aussuchen der benötigten Schrauben. 

Der potenzielle Nutzen wird von mehr als der Hälfte der Krankenhäuser zusätzlich bei der Aufklärung von Patienten, der Ausbildung von Studierenden und dem Training und der Weiterbildung von Assistenzärztinnen und -ärzten gesehen. Vier von fünf Kliniken nutzen die Möglichkeit des 3D-Drucks nur gelegentlich. Die Anzahl der bisher gedruckten Modelle schwankt von ein bis sieben Mal gelegentlicher Anwendung bis hin zu 50 Mal bei häufiger Anwendung wie im Klinikum der Universität München. 

Drucktechnik
Die beiden Schritte der Produktion von der DICOM-Datei bis zum fertigen 3D-Modell, also das Umwandeln der Dateien mit Hilfe einer Software und das eigentliche Drucken, werden von drei der fünf Kliniken an eine Fremdfirma übergeben. Ein Krankenhaus segmentiert die STL-Dateien selbstständig, nimmt aber für den Druckprozess die Hilfe eines 3D-Druck--Dienstleisters an. Einzig das Klinikum der Universität München produziert die 3D-Modelle komplett selbstständig. Die Klinik für Unfallchirurgie und Orthopädie des Bundeswehrkrankenhauses (BwKrhs) Berlin nutzte bislang drei verschiedene externe 3D-Druck-Dienstleister, um Art des Daten-Transfers, Schnelligkeit des Druckens sowie Druckqualität bei Verwendung verschiedener Materialien und -techniken zu untersuchen.

Nutzungsmöglichkeit
Alle 3D-Druck-Nutzer halten eine breite Etablierung des 3D-Drucks zur Behandlung komplexer Frakturen in Deutschland für klinische und wissenschaftliche Zwecke für sinnvoll.

Die fünf Arbeitsgruppen gaben an, dass der Kostenaufwand für die Erstellung der 3D-Druckmodelle maximal 250 € betragen dürfte (Antworten: 0 €, 100 €, 100 €, 100 - 200 €, 250 €).

Diskussion

PhotoAbb. 6: Visualisiserung einer Acetabulumfraktur A: herkömmliche Röntgentechnik, b1-b3: CT (seit 1973 möglich), c1-c3: Multiplanare Rekonstruktion (seit 1993 möglich), d1-d6: 3D-Rekonstruktion (seit 1993 etabliert), e1-e10: 3D-Druck (seit ca. 2013 in der Unfallchirurgie); Animation der Reposition durch komplexe Slicing Software und Unity 3D-Software (seit 2017/2018 ist die Darstellung für den Nutzer auch als Video möglich) (Bilder: C. Willy, Berlin) Mit unserer Arbeit sollte evaluiert werden, inwiefern der 3D-Druck in der deutschen Orthopädie und Unfallchirurgie Verwendung findet und welche Vorteile sich daraus ergeben. Es konnte gezeigt werden, dass im Verlauf der letzten Jahre eine erhebliche Zunahme der Anzahl von peer reviewed Veröffentlichungen zur Anwendung des 3D-Drucks allgemein in der Medizin, aber auch speziell im Fachgebiet der Orthopädie und Unfallchirurgie zu verzeichnen war. Geographisch lässt sich bei dem Schrifttum der medizinischen 3D-Druck-Technologie ein eindeutiger Schwerpunkt in den USA feststellen. Im Bereich der Orthopädie und Unfallchirurgie kommt jedoch die Mehrheit der Publikationen aus China.

Die Verbreitung der 3D-Druck-Technologie zur Behandlung komplexer Frakturen in der deutschen Orthopädie und Unfallchirurgie ist mit acht gefundenen Kliniken gering. Die acht identifizierten Krankenhäuser setzen den Nutzungsschwerpunkt auf Operationsplanung und -vorbereitung. Die am häufigsten mit der 3D-Druck-Technologie behandelten Frakturen sind Beckenfrakturen, insbesondere Frakturen des Acetabulums. Es muss jedoch betont werden, dass sich auch bei weiteren Lokalisationen die Möglichkeit zur Anwendung des 3D-Drucks eines individualisierten Frakturmodells abzeichnet. Bei der Unterstützung der Therapie komplexer Frakturen mittels dreidimensionaler Modelle für die präoperative Planung oder für ein Prebending zeichnet sich zudem – den wenigen Arbeiten zu dieser Thematik folgend – ein Nutzen auch für den Patienten ab. So konnten signifikante Vorteile wie beispielsweise ein verringerter intraoperativer Blutverlust, eine gesunkene Operationszeit sowie eine verringerte intraoperative Strahlenbelastung nachgewiesen werden [3, 9, 11, 24, 25, 28, 29].

PhotoAbb. 7: Bilder eines dreidimensional gedruckten Modelles einer Beckenfraktur aus Polylactid (PLA) im Fused-deposition modeling (FDM)-Extrusionsverfahren (Bilder: T. Pulpanek, Berlin) Der Forschungsaufwand, um den Nutzen der 3D-Druck-Technologie in den Kliniken zu evaluieren und/oder die Technik sogar in den klinischen Alltag zu implementieren, ist in den letzten Jahren gestiegen. Obwohl die befragten Kliniken die 3D-Modelle momentan in der Regel nur für die Operationsplanung und Vorbereitung der benötigten Materialien verwenden, ist zu hinterfragen, ob nicht auch ein sehr viel weiterführender Nutzen, z. B. mit der instruktiveren Aus- und Weiterbildung von Assistenzärztinnen und -ärzten sowie Studierenden, zu erzielen wäre. Ebenso ist es denkbar, mittels Visualisierung der behandelten pathologischen Veränderungen ein verbessertes Krankheitsverständnis beim weiterbehandelnden medizinischen Personal, z. B. für die Physiotherapie, zu erzielen und dadurch die Rehabilitation zu verbessern.

Schwierig scheint es bisher, den Vorgang der Reposition, z. B. einer Acetabulumfraktur, mit der optimalen Repositionszangenposition zu simulieren. Da kleinste Fragmente (selbst Spongiosa-“Krümel“) im 3D-Druck zu festen, nicht komprimierbaren, überbrückenden Strukturen werden und die Reposition verhindern, ist diese Art der OP-Simulation noch nicht möglich. Hier würde nur eine noch differenziertere Segmentierung und ein Fokussieren auf das Drucken der Kortikalisstruktur Abhilfe schaffen können.

Auffällig ist die nur gelegentliche Nutzung in vier von fünf Kliniken, obwohl alle Krankenhäuser die Sinnhaftigkeit der 3D-Druck-Nutzung in der Orthopädie und Unfallchirurgie – insbesondere bei Behandlung komplexer Frakturen – in dem Fragebogen bestätigen. Die nur geringe Nutzung liegt vor allem an der bisher aufwändigen Netzwerkbildung mit meist externen Dienstleistern und dem finanziellen Aufwand, der von den Kostenträgern nicht kompensiert wird. Die Kosten für das Schaffen von Druckdateien und den Druck dreidimensionaler Modelle sind nicht unerheblich und beziffern sich in Abhängigkeit vom gewünschten Material für Einzelaufträge auf ca. 500 - 800€. Diese Beträge führen damit auch bei Klinikleitungen mit dem Willen zur Nutzung der neuen Technologie zu erheblichen Problemen.

Fazit und Ausblick

Wissenschaftliche Arbeiten zum Thema 3D-Druck im Fachgebiet der Orthopädie und Unfallchirurgie sind – mit Schwerpunkt in China – bereits in vielen Ländern publiziert worden. In Deutschland wird die 3D-Druck-Technologie vereinzelt für die Planung und Behandlung komplexer Frakturen eingesetzt. Sie ist vor allem für die Behandlung komplexer Beckenfrakturen sinnvoll. Der Einsatz von 3D-Druck scheint einen klinischen Benefit für den Patienten zu bewirken (z. B. Senkung der Operationszeit und des intraoperativen Blutverlusts).

Der Nutzen des Einsatzes von 3D-Druck für Patienten und der hierfür erforderliche Aufwand sollten auch im Sanitätsdienst der Bundeswehr mitbeurteilt werden. Anwendungsgebiete sind hier nicht nur die Unfallchirurgie, sondern finden sich auch z. B. in der Gefäßchirurgie für die Behandlungsplanung bei komplexen Gefäßverletzungs- und -erkrankungssituationen. Die Nutzung bereits bestehender wehrwissenschaftlicher Werkstoffexpertise kann dabei Synergieeffekte innerhalb des Systems Bundeswehr erzeugen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass für diese (wie für jede andere) innovative Aktivität auch die personelle Ressource zur Verfügung stehen muss. Die Anwendung des 3D-Drucks in der Unfallchirurgie ist ein Zugewinn auch für die behandelten Patientinnen und Patienten der Bundeswehr und kann einen Beitrag zur Verbesserung der Ausbildung und zur Steigerung der Attraktivität des Sanitätsdienstes leisten, sowohl für Sanitätsoffiziere als auch für nichtärztliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

Nächster Schritt der „Berliner Arbeitsgruppe“ wird eine deutschlandweite Umfrage in allen unfallchirurgischen Universitäts- und Berufsgenossenschaftlichen Klinken sowie den Häusern, die an der Arbeitsgruppe Becken der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie (DGU) teilnehmen, um das In-teresse an 3D-Druck und dessen Nutzeneinschätzung zu evaluieren. In einem Folgeschritt soll in Zusammenarbeit mit dem Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk- und Betriebsstoffe der Bundeswehr (Erding) und mit Unterstützung der Arbeitsgruppe Computer Aided Surgery and Simulation (CASS) der Ludwig-Maximilians-Universität München ein 3D-Druck-Labor aufgebaut werden. Dessen Ziel soll es dann sein, den bisherigen 3D-Druck so zu modifizieren, dass der Repositionsvorgang exakter studiert werden kann als es heute aufgrund der festen sehr kleinen „Knochenbrücken“ infolge nicht segmentierter Spongisoakrümel im Frakturspalt möglich ist.

Kernaussagen

  • Die Publikationen zur 3D-Druck-Technologie der Frakturversorgung im Fachgebiet der Orthopädie und Unfallchirurgie stammen vor allem aus China. 
  • In Deutschland beschränkt sich die Nutzung dieser Technik für Diagnostik und Therapie komplexer Frakturen auf wenige Krankenhäuser. 
  • In der Unfallchirurgie können individuelle gedruckte 3D-Modelle komplexer Frakturen zur Operationsplanung und -vorbereitung (z. B. Plattenvormodellierung) genutzt werden. 
  • Die Nutzung des 3D-Drucks bei der Therapie komplexer Frakturen erfolgt insbesondere für Acetabulumfrakturen. 
  • Die bisher publizierten wissenschaftlichen Arbeiten zur Benefitanalyse zeigen klinisch relevante Vorteile durch den Einsatz der 3D-Druck-Technologie.

Literatur

  1. Beckmann J et al.: Partial replacement of the knee joint with patient-specific instruments and implants (ConforMIS iUni, iDuo). Orthopade 2016; 45(4): 322 - 330.
  2. Belien H et al.: Prebending of osteosynthesis plate using 3D printed models to treat symptomatic os acromiale and acromial fracture. J Exp Orthop 2017; 4(1): 34.
  3. Chen C et al.: Treatment of Die-Punch Fractures with 3D Printing Technology. J Invest Surg 2017: 1 - 8 (doi: 10.1080/08941939. 2017.1339150. Epub ahead of print)
  4. Chen X et al.: Accurate fixation of plates and screws for the treatment of acetabular fractures using 3D-printed guiding templates: An experimental study. Injury 2017; 48(6): 1147 - 1154.
  5. Heller M et al.: Applications of patient-specific 3D printing in medicine. Int J Comput Dent 2016; 19(4): 323 - 339.
  6. Huang YH et al.: Virtual surgical planning and 3D printing in prosthetic orbital reconstruction with percutaneous implants: a technical case report. Int Med Case Rep J 2016; 9: 341 - 345.
  7. Jessop ZM et al.: 3D bioprinting for reconstructive surgery: Principles, applications and challenges. J Plast Reconstr Aesthet Surg 2017: 70(9): 1155 - 1170.
  8. Kusaka M et al.: Initial experience with a tailor-made simulation and navigation program using a 3-D printer model of kidney transplantation surgery. Transplant Proc 2015; 47(3): 596 - 599.
  9. Liu X et al.: Application of 3D printing and computer-assisted surgical simulation in preoperative planning for acetabular fracture. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao 2017; 37(3): 378 - 382.
  10. LoPresti M et al.: Virtual surgical planning and 3D printing in repeat calvarial vault reconstruction for craniosynostosis: technical note. J Neurosurg Pediatr 2017; 19(4): 490 - 494.
  11. Lou Y et al.: Comparison of traditional surgery and surgery assisted by three-dimensional printing technology in the treatment of tibial plateau fractures. Int Orthop 2017; 41(9): 1875 - 1880.
  12. Maini L et al.: Three-dimensional printing and patient-specific pre-contoured plate: future of acetabulum fracture fixation? Eur J Trauma Emerg Surg 2018; 44(2): 215 - 224 [Epub 2016 Oct 26].
  13. Marro A, Bandukwala T, Mak W: Three-Dimensional Printing and Medical Imaging: A Review of the Methods and Applications. Curr Probl Diagn Radiol 2016; 45(1): 2 - 9.
  14. Mobbs RJ et al.: The utility of 3D printing for surgical planning and patient-specific implant design for complex spinal pathologies: case report. J Neurosurg Spine 2017; 26(4): 513 - 518.
  15. Olivieri LJ et al.: Three-dimensional printing of intracardiac defects from three-dimensional echocardiographic images: feasibility and relative accuracy. J Am Soc Echocardiogr 2015; 28(4): 392 - 397.
  16. Schmauss D et al.: Three-dimensional printing in cardiac surgery and interventional cardiology: a single-centre experience. Eur J Cardiothorac Surg 2015; 47(6): 1044 - 1052.
  17. Son KH et al.: Surgical Planning by 3D Printing for Primary Cardiac Schwannoma Resection. Yonsei Med J 2015; 56(6):1735 - 17377.
  18. Tack P et al.: 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. Biomed Eng Online 2016; 15(1): 115.
  19. Takao H et al.: 3D Printing of Preoperative Simulation Models of a Splenic Artery Aneurysm: Precision and Accuracy. Acad Radiol 2017; 24(5): 650 - 653.
  20. Valverde I et al.: Three-dimensional patient-specific cardiac model for surgical planning in Nikaidoh procedure. Cardiol Young 2015; 25(4): 698 - 704.
  21. Wang S et al.: 3D printing technology used in severe hip deformity. Exp Ther Med 2017; 14(3): 2595 - 2599.
  22. Wu XB et al.: Printed three-dimensional anatomic templates for virtual preoperative planning before reconstruction of old pelvic injuries: initial results. Chin Med J (Engl) 2015; 128(4): 477 - 482.
  23. Yang L et al.: Application of 3D Printing in the Surgical Planning of Trimalleolar Fracture and Doctor-Patient Communication. Biomed Res Int, 2016: 2482086.
  24. Yang L et al.: Thre- dimensional printing technology and materials for treatment of elbow fractures. Int Orthop 2017; 41(11): 2381 - 2387.
  25. You W et al.: Application of 3D printing technology on the treatment of complex proximal humeral fractures (Neer3-part and 4-part) in old people. Orthop Traumatol Surg Res 2016; 102(7): 897 - 903.
  26. Zeng C et al.: A combination of three-dimensional printing and computer-assisted virtual surgical procedure for preoperative planning of acetabular fracture reduction. Injury 2016; 47(10): 2223 - 2227.
  27. Zeng CJ et al.: Laparoscopic Acetabular Fracture Fixation after Three-dimensional Modelling and Printing. Indian J Orthop 2017; 51(5): 620 - 623.
  28. Zheng et al.: Application of 3D printing technology in the treatment of humeral intercondylar fractures. Orthop Traumatol Surg Res 2018; 104(1): 83 - 88 [Epub 2017 Dec 4].
  29. Zheng W et al.: Comparison of the Conventional Surgery and the Surgery Assisted by 3d Printing Technology in the Treatment of Calcaneal Fractures. J Invest Surg 2017:1 - 11 (DOI: 10.1080/ 08941939.2017.1363833)
  30. Zhuang Y et al.: Minimally invasive plate osteosynthesis of acetabular anterior column fractures using the two-incision minimally invasive approach and a preshaped three-dimension plate. Int Orthop, 2016; 40(10): 2157 - 2162.


Interessenkonflikte:
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

Zitierweise:

Behle M, Back DA, Knoll A, Willy C: Stellenwert der 3D-Druck-Technologie für die Diagnostik und Behandlung komplexer Frakturen in der modernen Unfallchirurgie. Wehrmedizinische Monatsschrift 2018; 62(7): 222 - 230.

Citation:

Behle M, Back DA, Knoll A, Willy C: Importance of 3D-printing technology for diagnostics and treatment of complex fractures in modern orthopedic surgery. Wehrmedizinische Monatsschrift 2018; 62(7): 222 - 230.


Für die Verfasser:
Leutnant (SanOA) Maren Behle
Badstraße 66, 13357 Berlin
E-Mail: marenbehle@google-mail.com 

[1] DICOM = Digital Imaging and Communication in Medicine ist ein offener Standard zur Speicherung und zum Austausch digitaler Daten im medizinischen Bildmanagement.



Datum: 03.07.2018

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