Etablierung von 3D Drucken zur Darstellung von Gelenksdestruktionen bei der rheumatoiden Arthritis und gesunden Vergleichsgelenken

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-06-17
Issue Year
2019
Authors
Simon, Christoph Ernst
Editor
Abstract

Background and goals 3D printing and the generated biomodels are an emerging field of technology in the medical sector. This new process of printing allows us to create individualized prosthetics, individually designed surgical training models or replicas of rare diseases and pathologies for educating medical students. Bioprinting, were tissue engineering is performed by 3D printing to create organs or scaffolds for cells, is also a part of additive manufacturing. New imaging modalities like high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) and 3D printers allow us to create detailed anatomical models and use them as a new form of bedside teaching. Rheumatoid Arthritis is a chronic inflammatory disease which leads to progressive joint destruction. Years of inflammatory activity result in irreversible joint stiffness and immobility, which is one of the reasons for limited patient adherence for medical treatment. This leads to the thesis, if rapid prototyping could be used to print joint-related bone malformations of patients with rheumatoid arthritis for patient education and other applications. Methods Metacarpalheads (Os metacarpi II-II) were scanned by HR-pQCT from Scanco Medical, Switzerland. 3D models of these anatomical parts were created and printed by an Objet 30 3D printer from Stratasys, USA. To process the digital data of the destructed metacarpalheads we used Netfabb, Meshmixer and DeVIDE with algorithms for error reduction. Afterwards the models were manually post processed to display the bone alteration which results from rheumatoid arthritis. Results Erosive alterations, trabecular bone reductions, ankylosis and other bone remodeling could be displayed by the 3D printed models. Difficulties resulted in post processing and error reduction of the biomodels. A portfolio of different states of joint destruction was created, as well as a standard operation procedure to create 3D printings of rheumatoid arthritis joints. Furthermore, we created a video of a metacarpalhead which was artificially altered to display a cystical structure inside the bone. With these biomodels a publication was created to increase patient’s awareness for rheumatoid arthritis. Conclusions In summary, we demonstrated the feasibility creating 3D printed models of metacarpalheads affected by rheumatoid arthritis. In the future, this could be used for educational purpose or other medical fields like prosthetics or intraarticular injection models.

Abstract

Hintergrund und Ziele 3D Drucker und die damit generierbaren Biomodelle sind ein rasant wachsendes Innovations- und Forschungsfeld. Im medizinischen Sektor eröffnen sich bereits durch individualisierte Endoprothesen, chirurgische Übungsmodelle oder Replikate seltener Malformationen und Pathologien für Medizinstudenten neue Bereiche für diese Technologie. Auch das Bioprinting, bei dem Gewebe mithilfe eines 3D Druckers auf vorgefertigte Strukturen platziert werden kann, ist Teil des Anwendungsbereichs. Durch hochauflösende bildgebende Verfahren und des 3D Druckers können detailgetreue Modelle verschiedenster Gewebe und Organe angefertigt werden. Die rheumatoide Arthritis, eine chronisch entzündliche Autoimmunerkrankung, zeichnet sich durch eine progressive Gelenkzerstörung aus. Diese irreversiblen Schäden und Funktionseinschränkungen sind erst bei fortgeschrittenem Stadium für den Patienten sichtbar, was sich auch in einer reduzierten Patientenadhärenz zur Therapie widerspiegelt. 3D Drucken als neue Technologie in der Anwendung im medizinischen Bereich führte zu der Fragestellung ob es möglich ist, stark destruierte Gelenksköpfe mithilfe eines hochauflösenden peripheren quantitativen CT (HR-pQCT) zu erfassen und als Biomodell zu drucken. Anschließend sollen neue Anwendungen, mitunter eine Patientenschulung, anhand dieser Modelle entwickelt werden. Methoden (Patienten, Material und Untersuchungsmethoden) Metakarpalknochenköpfe (Os metacarpi II-III) von Patienten mit einer rheumatoiden Arthritis als auch gesunder Kontrollen wurden mit einem HR-pQCT der Firma Scanco Medical, Schweiz, gescannt. Mithilfe dieser hochauflösenden CT-Daten wurde ein 3D Modell des Knochens generiert und dem Objet 30 3D Drucker der Firma Stratasys, USA, zugeführt. Um einen fehlerfreien Druck für diese individuell destruierten Knochenmodelle zu ermöglichen, mussten die medizinischen Bilddaten durch die Software Netfabb, Meshmixer und DeVIDE mit angepassten Fehleralgorithmen bearbeitet werden. Die Biomodelle wurden manuell nachbearbeitet, um die jeweiligen Veränderungen detailgetreu abzubilden. Ergebnisse Erosive Gelenksdestruktionen, trabekuläre Substanzverluste und Ankylosen konnten anhand dreidimensionaler Modelle dargestellt und diese anschließend zur Patientenedukation eingesetzt werden. Hindernisse beim Fertigungsprozess lagen in der richtigen Fehlerkorrektur als auch im Post-Fertigungsprozess. Eine Modellreihe verschiedener Stadien der Gelenksdestruktion bei der rheumatoiden Arthritis wurde angefertigt. Zusätzlich wurde eines dieser Modelle artifiziell aufgeschnitten, um eine Knochenzyste darzustellen. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Prozedur zur Erstellung knöcherner Modelle mithilfe des 3D Druckers beschrieben. Die hierbei generierten Modelle konnten für eine Publikation zur Patienteninformation und Edukation weiterverwendet werden. Schlussfolgerungen In dieser Arbeit konnten Biomodelle von stark destruierten Gelenken, wie sie im Rahmen einer rheumatoiden Arthritis entstehen, angefertigt werden. Zukünftig kann dies die Basis für neue Einsatzgebiete wie Gelenksrekonstruktionen, Punktionsmodelle oder Patienten- und Studentenschulungen darstellen.

DOI
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