WO2019063105A1 - Anatomische silicon-modelle und deren additive herstellung - Google Patents

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WO2019063105A1
WO2019063105A1 PCT/EP2017/074911 EP2017074911W WO2019063105A1 WO 2019063105 A1 WO2019063105 A1 WO 2019063105A1 EP 2017074911 W EP2017074911 W EP 2017074911W WO 2019063105 A1 WO2019063105 A1 WO 2019063105A1
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anatomical model
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Vera SEITZ
Hannah RIEDLE
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Wacker Chemie Ag
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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    • B29C64/112—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using individual droplets, e.g. from jetting heads
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    • G—PHYSICS
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    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30—Anatomical models

Definitions

  • the invention relates to a method for the additive production of an anatomical model using an SD printing device.
  • the method is characterized in that at least one crosslinkable by electromagnetic radiation silicone rubber composition is used as printing material.
  • Layer-by-layer application of the printing compounds also makes it possible to produce complex anatomies.
  • the anatomical models produced in this way are special
  • the invention also relates to anatomical models made by the aforesaid method.
  • Anatomical models also called biomodels, are used in medicine for the illustration of anatomical, healthy or pathological structures in the body.
  • the properties of the model should reproduce the respective tissue or body part as precisely as possible.
  • Important properties may include mechanical properties (such as hardness, elasticity, tear strength, elongation at break, etc.), surface properties, optical properties, or the behavior in use, such as
  • Range of anatomical models are additive
  • Rigid anatomical models such as bones, can be used in various additive procedures and
  • thermoplastic materials different, predominantly thermoplastic materials can be realized.
  • Printing materials are suitable for many anatomical structures only partially or not at all for the production of models. Especially for soft, elastic elements that simply deform under load, these models do not provide any Possibility to realistically simulate treatment or surgical situations. This concerns in particular anatomical
  • WO 2015/107333 A1 describes a 3D printing method for
  • Silicone rubber composition from a mixing nozzle by means of syringe pumps.
  • the curable ones described here are described here
  • Silicone compositions are therefore special for the adapted to continuous dispensing of thin strands and to two-component room temperature curable (RTV)
  • Silicone compounds limited. In addition, only hardnesses between 10 and 26 Shore A and tensile strengths of 1.1 to 3.3 kN / m can be achieved.
  • a disadvantage of this method is the location of minute amounts of the silicone printing material that can not be achieved for the printing of fine details. Furthermore, the cross-linking time after mixing the two rubber components can no longer be influenced, which i.a. has the disadvantage that in the course of printing very
  • Silicone rubber composition are brought into contact (if the processing time of the pressure mass shorter than the
  • Printing time is) or that the carrying capacity of the printed
  • the object of the present invention is to provide a method which enables the simple and inexpensive production of complex anatomical models.
  • the mechanical and optical properties the
  • Figure 1 Segmented digital bone model (top) and segmented digital soft tissue model (bottom) from the facial area, respectively
  • Figure 2 Reprocessed digital bone model (top) and reworked digital soft tissue model (below) from the facial area
  • Figure 4 Digital LKGS model with one-sided complete cleft lip and palate
  • the invention relates to a method for the additive production of an anatomical model using an SD printing device, the method comprising the following steps
  • Compressive masses at least one structure-forming printing material consisting of one by electromagnetic radiation
  • crosslinkable silicone rubber composition
  • the 3D printing device preferably includes at least one discharge device, a source of electromagnetic radiation and a carrier plate.
  • the discharge device is arranged so that pressure masses in the form of individual isolated drops (voxels), as a row of drops or in the form of a strand can be delivered. Flowing transitions between these forms are possible.
  • the discharge device may comprise one or more nozzles which emit liquid drops of printing material in the direction of the base plate. Such nozzles are also referred to as jetting nozzles.
  • the pressure mass is pressed out by means of pressurizing a storage container, for example from a cartridge, syringe or barrel, through a nozzle as a strand and selectively deposited on the base plate to the object.
  • a storage container for example from a cartridge, syringe or barrel
  • Such discharge devices are also referred to as dispensers.
  • dispensers There may be provided several, even technically different discharge devices for different pressure masses in the SD printing device.
  • the SD printing device can have one or more possibly differently configured or differently operated jetting nozzles and / or one or more optionally configured differently or differently operated dispenser.
  • the discharge device preferably comprises jet valves with piezo elements.
  • drop volumes for drops of a few picoliters (pL) (2 pL correspond to a droplet diameter of about 0.035 ym) can be realized, as well as medium and high viscosity materials such as silicone rubber compositions in particular, with piezo printheads with a nozzle diameter between 50 and 500 ym are preferred and drop volumes in the nanoliter range (1 to 100 nL) can be produced.
  • these printheads can deliver droplets with very high metering frequency (about 1 to 30 kHz), while with higher-viscosity materials (more than 100 Pa -s), depending on the rheological properties (shear-thinning behavior) Metering frequencies up to about 500 Hz can be achieved.
  • Suitable jetting nozzles are known in the art and are described for example in DE 102011108799 AI.
  • the pressure masses are in the form of drops
  • the printing materials are applied by means of a drop-on-demand method (DOD method).
  • the DOD method is particularly suitable for producing complex models.
  • each printed drop is previously created specifically and stored at a location defined for this drop.
  • the printing compositions of the present invention comprise at least one pattern-forming printing material consisting of an electromagnetic radiation-crosslinkable silicone rubber composition.
  • a pattern-forming printing material in the present invention is a printing material
  • the structure-forming printing compositions may additionally comprise one or more further crosslinkable silicone rubber compositions which differ from one another.
  • Silicone rubber compositions may be in the crosslinked state, for example, in terms of Shore hardness, electrical conductivity, thermal conductivity, color, transparency, hydrophilicity and / or the
  • Suitable silicone rubber compositions are known in the art. Particularly suitable are in
  • WO 2017/081028 A1 WO 2017/089496 Al and WO 2017/121733 Al described silicone rubber compositions.
  • the crosslinkable silicone rubber composition and / or optionally additional silicone rubber compositions in the uncrosslinked state preferably have a viscosity of 10 Pa.s or more, preferably 40 Pa.s or more, especially
  • the viscosity of the silicone rubber composition can be measured with a rheometer according to DIN EN ISO 3219: 1994 and DIN 53019, whereby a cone and plate system (cone CP50-2) with an opening angle of 2 ° can be used.
  • a suitable rheometer is, for example, the "MCR 302" from the company Anton Paar, Graz, Austria
  • the calibration of the device can be performed with a standard material, such as 10000 standard oil Physikalisch-Technische Bundesweg, Braunschweig, Germany.
  • the silicone rubber compositions can be formulated in one or more components, preferably one-component.
  • Addition-crosslinking silicone rubber compositions are typically prepared by reaction of unsaturated groups e.g. Alkenyl groups crosslinked with Si-H groups (hydrosilylation) in the silicone rubber composition.
  • the crosslinking can be either thermally and / or by UV or UV-VIS light
  • the crosslinking is achieved by UV / VIS-induced activation of a photosensitive hydrosilylation catalyst, with platinum complexes being preferred as catalysts.
  • platinum complexes being preferred as catalysts.
  • Numerous photosensitive platinum catalysts are known from the prior art, which are largely inactive with the exclusion of light and can be converted by irradiation with UV / VIS light in active at room temperature platinum catalysts.
  • the pressure masses may additionally one or more of the
  • the following structure-forming printing materials include:
  • Silicone gels silicone resins, homopolymers or copolymers of monomers selected from the group consisting of acrylates, olefins, epoxides, isocyanates or nitriles, and
  • Polymer blends comprising one or more of the aforementioned homopolymers and copolymers.
  • the Compressive materials to materials, which at least during the
  • Compressive compositions can be formulated in one or more components, preferably one-component.
  • the structure-forming pressure masses include those above
  • the structure-forming printing compositions consist exclusively of silicone rubber compositions.
  • the structure-forming materials may be in the crosslinked state, for example, in terms of Shore hardness, electrical conductivity, thermal conductivity, color, transparency, hydrophilicity and / or the
  • Shore A Silicones of Shore hardness 25 Shore 00 to Shore hardness 90 Shore A are particularly preferred.
  • the measurement of the Shore hardness can be measured by a Shore hardness meter, e.g. according to DIN ISO 7619-1: 2012-02 or ASTM D2240.
  • a Shore hardness meter e.g. according to DIN ISO 7619-1: 2012-02 or ASTM D2240.
  • ASTM D2240 For the measurement of the penetration hardness of elastomers is the
  • Penetration depth of a spring-loaded pin in the material measured.
  • a specimen of a predetermined thickness eg 6 mm
  • a predetermined thickness eg 6 mm
  • a suitable device is
  • the Shore A hardness tester SHA.D3 the company Qtec GmbH, Zeilarn, Germany.
  • Another preferred property of the pressure masses is their elasticity, which determines the natural behavior of certain
  • tissue e.g., soft tissue
  • the printing compositions can preferably be colored in such a way that they correspond as well as possible to the visual appearance of the biological tissue.
  • Compressive masses of silicone are colored with a variable proportion of color paste, preferably, for example, muscles can be dyed in any shade of red, bones in white and
  • a translucent or optically transparent material can be selected in order to be able to better visually detect processes inside the model.
  • Another preferred characteristic of the pressure mass is as realistic a behavior as possible in the training situation on the model.
  • the selected pressure masses should be during
  • Cutting, cutting, sewing, separating, joining by brackets or patches, etc. behave as possible as the original fabric. Also the flow behavior of body fluids in, on or about the anatomical silicone models, the deformation in a manual examination by the doctor, etc. should preferably be as close as possible to the real conditions in the
  • the pressure masses are therefore preferably selected so that they reflect the corresponding anatomical structure with respect to the optical, mechanical and / or haptic properties close to reality. This can preferably be done by comparing the
  • Density measurements tensile tests, relaxation tests, static and dynamic load tests, static and dynamic deformation tests and hardness measurements. Furthermore, these examinations can be carried out by evaluations specially adapted to the medical environment, such as haptic examinations, cutting experiments, flow behavior, behavior in the case of
  • the printing compositions additionally comprise one or more support materials, which after
  • the setting of support material may be required if the anatomical model cavities, undercuts, overhanging, cantilevered or thin-walled parts should have, since the pressure masses can not be freely suspended in space suspended.
  • the support material fills up during the printing process volume volumes and serves as a base or as a scaffold to put on the pressure masses and harden.
  • the support material is removed after completion of the printing process and releases the cavities, undercuts and overhanging, unsupported or thin-walled areas of the printed object.
  • support material can also be provided at locations where it is not technically necessary. For example, components can be packed in support material in order to increase the quality of the printing result or to influence the surface quality of the printed product.
  • the support material for example non-crosslinking and non-cohesive material.
  • the necessary shape of the support material is calculated.
  • various strategies can be used, for example, to use as little support material as possible or to increase the dimensional stability of the product.
  • the print head can have one or more further discharge devices for the support material.
  • a further print head with corresponding discharge devices can be provided for the discharge of support material.
  • Suitable support materials are known in the art. Particularly suitable are support materials, as described in WO 2017/020971 AI.
  • crosslinking or crosslinking of the applied printing composition takes place by means of electromagnetic radiation.
  • Radiation on the pressure masses is preferably carried out location-selective or areal, pulsed or continuous and with constant or variable intensity. It may be expedient to permanently irradiate the entire work area during printing, in order to achieve complete crosslinking, or to expose it to radiation only for a short time, in order to prevent incomplete crosslinking (crosslinking / crosslinking).
  • the crosslinking or crosslinking of the printing compositions is preferably carried out thermally and / or by UV or UV / VIS radiation, very particularly preferably by UV or UV / VIS radiation.
  • UV radiation has a wavelength in the range of 100 nm to 380 nm, while visible light (VIS radiation) has a wavelength in the range of 380 to 780 nm.
  • UV / VIS-induced crosslinking has advantages.
  • the intensity, exposure time and place of action of the UV / VIS radiation can be precisely dimensioned, while the heating of the discharged structure-forming printing materials (as well as their subsequent cooling) is always delayed due to the relatively low thermal conductivity.
  • Due to the intrinsically very high thermal expansion coefficients of the silicone rubber compositions the thermal gradients inevitably present temperature gradients lead to mechanical stresses that can adversely affect the dimensional stability of the object formed, which can lead to unacceptable shape distortions in extreme cases.
  • the rate of UV / VIS induced crosslinking depends on many factors, in particular on the type and concentration of the photosensitive catalyst, on the intensity, wavelength and exposure time of the UV / VIS. Radiation, the transparency, reflectivity, layer thickness and composition of the pressure mass and the temperature.
  • UV / VIS-induced crosslinking silicone rubber compositions For the curing of the UV / VIS-induced crosslinking silicone rubber compositions, light of wavelength 240 to 500 nm, more preferably 250 to 400 nm, particularly preferably 350 to 400 nm, particularly preferably 365 nm, is preferably used.
  • a UV / VIS radiation source with a power of between 10 mW / cm 2 and 20,000 mW / cm 2 , preferably between 30 mW / cm 2 and 15,000 mW / cm 2 , and a radiation dose between 150 mJ / cm 2 and 20,000 mJ / cm 2 , preferably between 500 mJ / cm 2 and 10,000 mJ / cm 2 .
  • area-specific irradiation times between a maximum of 2,000 s / cm 2 and a minimum of 8 ms / cm 2 can be achieved.
  • the 3D printing device preferably has a UV / VIS exposure unit.
  • the UV / VIS source is movably positioned relative to the base plate and illuminates only selected areas of the object.
  • the UV / VIS source is designed in a variant such that the entire object or an entire material layer of the object is exposed at once.
  • the UV / VIS source is designed such that its light intensity or its energy can be variably adjusted and that the UV / VIS source at the same time exposes only a portion of the object, the UV / VIS source being such can be moved relative to the object, that the entire object with the UV / VIS light, possibly in different intensity, can be exposed.
  • the UV / VIS source is designed for this purpose as a UV / VIS LED strip and is moved relative to the object or over the printed object.
  • crosslinking may be by IR radiation, e.g. by means of an (N) IR laser or an infrared lamp.
  • a cure strategy is used to accomplish the cure. Curing of the printing compositions preferably takes place after setting a layer, after setting several layers or directly during printing.
  • Curing the print masses directly during printing is referred to as a direct cure strategy.
  • a direct cure strategy Become, for example, by UV / VIS radiation curable structure-forming
  • the UV / VIS source is active for a very long time, so that it is possible to work with much lower intensity, resulting in slow cross-linking of the object. This limits the heating of the object and leads to dimensionally stable objects, since no expansion of the object due to temperature peaks occurs.
  • the radiation-induced crosslinking of the set material layer takes place.
  • the freshly printed layer combines with the cured underlying printed layer.
  • the curing does not take place immediately after setting a pressure mass, so that the pressure masses before curing time have to relax.
  • the n-layer curing strategy is similar to the Pro-Layer curing strategy, but curing is done after n layers of material have been set, where n is a natural number. The time available for relaxing the pressure masses is further increased, which further improves the surface quality.
  • the anatomical model is preferably 50% by weight or more, more preferably 70% by weight or more, most preferably 90% by weight or more, of one or more
  • Silicone elastomers in each case based on the total weight of the anatomical model.
  • the anatomical model consists exclusively of one or more silicone elastomers.
  • the anatomical model is based on an anatomical
  • the anatomical measurement data can be obtained, for example, by medical imaging methods or surface scans.
  • Different methods can be used for this purpose, which include specific areas of the body both inside the body (such as organs, muscles, bones, tissue) and
  • Detecting areas of the body surface of a person can be used, such as
  • laser scanning method the external Capture areas of the body or by inserting them into body openings behind underlying cavities (eg in the oral cavity or in the auditory canal).
  • methods of medical imaging for data acquisition such as X-rays, computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), nuclear medicine (NUK), positron emission tomography (PET),
  • Representation of the blood vessels (or the blood flow within the lumen) may be necessary.
  • a digital 3D model can be created.
  • the data of the scanner consist mostly directly as surface data records, for example in. stl format.
  • the medical data are usually as
  • DICOM data Digital Imaging and Communications in Medicine
  • MRI Magnetic resonance Imaging
  • CT computed tomography
  • DICOM format contains additional information such as
  • Patient data or slice thickness may also be in the .nrrd format, for example.
  • the creation of a surface model from the medical layer data is done by segmentation.
  • the segmentation realizes the transition from unstructured pixels or
  • Voxel sets to interpretable objects (segments). Each pixel or voxel becomes a particular one
  • tissue classes and / or anatomical structures from each other and define them as clearly related.
  • manual segmentation the corresponding structure is marked in each individual slice image.
  • automatic segmentation processes which are in pixel, edge, and
  • the pixel-oriented threshold value methods combine content-related regions or pixels or voxels with the same gray value according to a homogeneity criterion.
  • the underlying homogeneity criterion is the Hounsfield scale (HU).
  • the HU scale enables a standardized comparison of different CT images by the relation of the attenuation coefficient of a specific tissue to that of water (0 HU).
  • Segmentation can be either through user-interface-oriented software tools or through direct programs
  • ⁇ models for example in. stl format are exported.
  • the available data set and the planned model use it may also prove useful to combine several data sets, eg MRI and CT, and / or several software programs.
  • the software combination can, for example, via an intermediate export of a model precursor as. stl file from a first program and the transfer of it back to the shift data in a second program. This can be useful if the programs provide different tools for segmentation.
  • the combination with a direct segmentation program code may also be effective here.
  • the digital 3D model can be reworked digitally before printing the anatomical model.
  • the post-processing of the digital anatomical models can be volume, network and / or point-based. For post-processing of the digital
  • the network of surface models obtained directly from the surface scanner or indirectly from medical image data via segmentation, is examined for further processing for errors, cleaned up and, if necessary, smoothed.
  • the data volume of the models In order to be able to handle the data volume of the models also becomes one
  • the surface created from medical image data and / or scan data can be customized according to requirements. Among other things, this can serve different anatomical characteristics
  • Cropping of two or more surface models cropping the models
  • User interface can be combined, so that even inexperienced designers create their own model with the appropriate clinical picture by using the user interface
  • the anatomical model can be post-treated or post-processed after printing.
  • the aftertreatment is preferably selected from one or more of the following: heat treatment, surface coating, slitting, splitting and separating segments, and
  • Annealing treatment A particularly suitable tempering treatment is described in WO 2010/015547 Al.
  • the models can be coated locally or globally after 3D printing, for example, the
  • Optimize surface properties of the model For example, properties that can be optimized by a coating include surface roughness,
  • Post-processing is, for example, the setting of cuts, parts or separation of individual segments, joining of individual components.
  • the present invention further relates to an anatomical model made by the 3D printing method described above.
  • the anatomical model can also be achieved by combining such a 3D printing method with at least one other additive or conventional one
  • the anatomical model produced according to the invention preferably corresponds to the healthy human anatomy or a certain clinical picture (pathology). These can be in
  • the anatomical model produced according to the invention preferably simulates a cleft lip and palate, blood vessels, heart or brain ventricle. In addition, that can
  • the anatomical model produced according to the invention may be a generic or a patient-specific model.
  • a preferred feature of the anatomical models is that they reflect the corresponding anatomical structure with respect to the optical, mechanical and / or haptic properties in a realistic manner. This can preferably by a
  • Another preferred feature of the anatomical models is that different types of tissue are presented as realistic as possible in terms of their hardness.
  • a particularly preferred feature of the anatomical models is a realistic imaging of soft tissue by silicones
  • the models can preferably be colored in such a way that they correspond as well as possible to the optical appearance of the biological tissue. For example, muscles in colored in any shade of red, bone in white and skin in a skin tone. Furthermore, in contrast to the biological original, a translucent or optically transparent material can be selected in order to be able to better visually detect processes inside the model.
  • Another preferred feature of the anatomical model is a realistic behavior in the
  • the finished models should be used when cutting, cutting, sewing, separating,
  • Body fluids in, on or over the anatomical silicone models, the deformation in a manual examination by the doctor, etc. should preferably correspond as closely as possible to the real conditions in the body.
  • the invention proposed here implements a direct additive production of anatomical models made of silicones, ie a digital model is converted directly into a haptic silicone model via the 3D printer.
  • a digital model is converted directly into a haptic silicone model via the 3D printer.
  • This invention also includes the complete process chain from the digital acquisition of the anatomical model through to for implementation in 3D printing and a possible
  • Modeling on peculiarities of the droplet-based SD printing process can be considered. For example, different hard areas in the
  • Model creation assigned to different model parts and then realized in different material types. Furthermore, features of the model (cavities, minimal
  • Wall thicknesses, radii, etc. can be adapted by constructive measures so that the digital anatomical model can be implemented by the described 3D printing technology.
  • Another novel step is the constructive modification of the anatomical model.
  • Patient education is made easier and implants can be pre-selected and "sampled.”
  • mapping the entire process and directly producing the silicone model in 3D printing this process can be accelerated and optimized
  • Initial basis is a DICOM record of an adult in the facial area. Of these, the upper jaw and the
  • segmented adjacent bone areas without the teeth and in a second model the surrounding soft material consisting of skin, muscles and other soft tissue structures.
  • the segmented models are shown in Figure 1.
  • the nets of the segmented models are repaired, holes filled and the surfaces smoothed.
  • the bony contours are adapted to those of an infant.
  • the soft tissue model the nose, nasal septum,
  • the palate is separated in the area of the hard palate.
  • a new palate is created via an offset from the upper jaw of the bone model and added via Boolean operators to the soft tissue model.
  • Soft tissue model are too close to that of the bone model, these areas are reinforced by adding volume and then smoothed the transitions again.
  • the overall model is now tailored to the noses and upper jaw area. Offset functions generate an envelope around the bone model, which is added to the soft tissue model.
  • Scaling, adding, or subtracting material converts the adult model into a child's model.
  • the created model is measured and compared with the dimensions for children's jaw from the literature.
  • Soft tissue model created. By subtracting copies of the muscles from the soft tissue model, the appropriate pockets for the muscles in the model can be created. If necessary, for example, for an assembly process subsequent to the production, the pockets can be made larger than the muscle model via offsets or by removing volume for complete access
  • Adding volume and then smoothing can have different pathologies, such as a
  • Bone structure generated If necessary, the resulting model is prepared for possible assembly steps, for example by cutting to insert internal structures. Finally, all contours and wall thicknesses are repeated (according to the production parameters)
  • the finished digital LKGS model with one-sided complete column which can be seen in Figure 4, is in its individual parts for example as. stl files or as
  • the print parameters were set optimally using empirical values of the respective material used. For the different areas become materials
  • Shore hardness for example 10 Shore A for the soft tissue model and the musculature and 60 Shore A for the bone model as well as colors, for example white for the bone, red for the muscles and skin colored for the soft tissue model, printed.
  • For the bone model was a silicone rubber composition ⁇ having a Shore hardness of 60 A, for
  • Musculature and the soft tissue was a silicone rubber composition of Shore hardness 10 A used. To color the models were commercially available color pastes
  • the model In multi-material printing, the model is manufactured in one step from the different materials. With a single fabrication of all model components, a manual assembly step still becomes necessary. Generally, the post-processing of the model by setting more targeted
  • Sections, removal of support material, pasting individual segments, sealing previously generated openings, annealing, manual coating or dyeing include.
  • a slightly red-colored Shore 00 Coating nor the mucous membrane of the LKGS model can be simulated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer 3D- Druckvorrichtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine durch elektromagnetische Strahlung vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung als Druckmasse zum Einsatz kommt. Durch schichtweises Aufbringen der Druckmassen wird zudem die Fertigung komplexer Anatomienermöglicht. Die so erzeugten anatomischen Modelle sind besonders realitätsnah und können medizinischem Fachpersonal zum Beispiel zur Ausbildung, Einübung von Operationstechniken, Veranschaulichung komplexer Krankheitsbilder oder patientenindividualisierter, präoperativer Operationsplanung dienen. Die Erfindung betrifft auch durch das vorgenannte Verfahren hergestellte anatomische Modelle.

Description

Anatomische Silicon-Modelle und deren additive Herstellung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer SD- Druckvorrichtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine durch elektromagnetische Strahlung vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung als Druckmasse zum Einsatz kommt. Durch schichtweises Aufbringen der Druckmassen wird zudem die Fertigung komplexer Anatomien ermöglicht.
Die so erzeugten anatomischen Modelle sind besonders
realitätsnah und können medizinischem Fachpersonal zum Beispie zur Ausbildung, Einübung von Operationstechniken,
Veranschaulichung komplexer Krankheitsbilder oder
patientenindividualisierter, präoperativer Operationsplanung dienen. Die Erfindung betrifft auch durch das vorgenannte Verfahren hergestellte anatomische Modelle.
Stand der Technik
Anatomische Modelle, auch Biomodelle genannt, dienen in der Medizin zur Veranschaulichung von anatomischen, gesunden oder pathologischen Strukturen im Körper. Diese werden
beispielsweise in der Ausbildung von medizinischem Fachpersona eingesetzt, um die Anatomie anschaulich an einem haptischen, dreidimensionalen Modell darzustellen. Des Weiteren können an solchen Modellen medizinische Eingriffe oder OP-Techniken demonstriert und geübt werden. Dabei können auch spezielle Instrumente verwendet werden oder für Ihren späteren Einsatz evaluiert werden. Besonders eignen sich die Modelle auch zur Erprobung neuer medizinischer Produkte oder OP-Techniken. Um dies unter möglichst realen Bedingungen durchführen zu können, sollen die Eigenschaften des Modells das jeweilige Gewebe oder Körperteil möglichst genau nachbilden. Wichtige Eigenschaften können dabei mechanische Eigenschaften (wie beispielsweise Härte, Elastizität, Reißfestigkeit, Reißdehnung, etc.), Oberflächeneigenschaften, optische Eigenschaften, oder das Verhalten im Gebrauch, wie beispielsweise das
Schnittverhalten oder die Möglichkeit an einem solchen Modell Nähte zu setzen, sein.
Neben generischen anatomischen Modellen, die eine exemplarische anatomische Struktur darstellen, gibt es patientenindividuelle Modelle, die die Anatomie eines bestimmten Patienten
wiedergeben. Diese können beispielsweise vom behandelnden Arzt für die präoperative OP-Planung oder für die Aufklärung des Patienten verwendet werden. Auch an diesen Modellen können unterschiedliche OP-Strategien im Voraus geübt werden oder beispielsweise passende Instrument- und Implantatgrößen
bestimmt werden.
Aufgrund der Komplexität und Variabilität der Bauteile im
Bereich der anatomischen Modelle eignen sich additive
Fertigungsverfahren besonders für die Realisierung haptischer Biomodelle. Steife anatomische Modelle, wie beispielsweise Knochen, können in diversen additiven Verfahren und
unterschiedlichen, überwiegend thermoplastischen Materialien realisiert werden.
Nachteilig ist jedoch, dass diese Verfahren und
Druckmaterialien sich für viele anatomische Strukturen nur bedingt oder gar nicht für die Herstellung von Modellen eignen. Insbesondere für weiche, elastische Elemente, die sich unter einer Belastung einfach verformen, stellen diese Modelle keine Möglichkeit dar, Behandlungs- oder OP-Situationen realitätsnah nachzustellen. Dies betrifft insbesondere anatomische
Strukturen wie Muskeln, Sehnen, Bänder, Blutgefäße, Knorpel, Haut, Schleimhaut und weiche Knochensegmente. Solche weichen Modelle werden derzeit indirekt als Beschichtungs- oder
Gussmodelle von 3D-gedruckten steifen Negativen gefertigt.
Ein Nachteil von indirekten Verfahren besteht darin, dass die Fertigung komplexer anatomischer Modelle nicht oder nur unter sehr hohem Aufwand möglich ist. Komplexe anatomische Modelle enthalten meist ein oder mehrere besondere geometrische
Merkmale, die eine konventionelle Fertigung mittels
Gießverfahren verhindern. Dies können Hinterschnitte,
Verzweigungen, innere Hohlräume, Kanäle, unebene Oberflächen, innere Lattices/ Balkenstrukturen, bionische Strukturen, verzweigte Netzwerke an anatomischen Elementen oder ähnlich aufwändige Strukturen sein.
Des Weiteren haben alle indirekten Verfahren den Nachteil, dass viele einzelne Fertigungsschritte nötig sind, um ein
anatomisches Silicon-Modell zu fertigen und es sich somit um einen zeitaufwändigen, kostenintensiven Prozess mit teilweise hohem Anteil an manuellen Arbeitsschritten handelt. Die Herstellung von anatomischen Modellen durch direkte 3D- Druck-Verfahren ist im Stand der Technik kaum bekannt.
WO 2015/107333 AI beschreibt ein 3D-Druck Verfahren zur
Herstellung von anatomischen Prothesen aus Siliconelastomeren durch (kontinuierliche) Extrusion der vernetzungsfähigen
Siliconkautschukzusammensetzung aus einer Mischdüse mittels Spritzenpumpen. Die hier beschriebenen härtbaren
Siliconzusammensetzungen sind also speziell für das kontinuierliche Dispensen dünner Stränge angepasst und auf zweikomponentige, bei Raumtemperatur härtbare (RTV)
Siliconmassen beschränkt. Es können zudem nur Härten zwischen 10 und 26 Shore A und Zugfestigkeiten von 1,1 bis 3,3 kN/m erreicht werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist die für den Druck feiner Details nicht erreichbare, ortsgenaue Platzierung kleinster Mengen der Silicon-Druckmasse. Des Weiteren lässt sich der Vernetzungszeitpunkt nach dem Vermischen der beiden Kautschukkomponenten nicht mehr beeinflussen, was u.a. den Nachteil hat, dass im Verlauf des Druckvorgangs sehr
unterschiedlich stark vernetzte Bereiche der
Siliconkautschukzusammensetzung in Kontakt gebracht werden (wenn die Verarbeitungszeit der Druckmasse kürzer als die
Druckzeit ist) oder dass die Tragfähigkeit der gedruckten
Struktur nicht gegeben ist (wenn die Verarbeitungszeit der Druckmasse länger als Druckzeit ist) .
In WO 2013/072874 AI wird ein auf dem Multij et-Druck von
Drucktinten auf Acrylatbasis basierendes Verfahren zur
Erstellung von anatomischen Modellen aus medizinischen
Bilddaten beschrieben. Des Weiteren wird die Verwendung von gummiartigen Materialien beschrieben, die sich in ihren
Eigenschaften jedoch deutlich von den in dieser Erfindung verwendeten Siliconen unterscheiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das die einfache und kostengünstige Herstellung von komplexen anatomischen Modellen ermöglicht. Bezüglich der mechanischen und optischen Eigenschaften sollen die
anatomischen Modelle die jeweiligen realen Gewebe oder
Körperteile möglichst genau nachbilden. Abbildungen
Abbildung 1: Segmentiertes digitales Knochenmodell (oben) und segmentiertes digitales Weichgewebemodell (unten) jeweils vom Gesichtsbereich
Abbildung 2: Nachbearbeitetes digitales Knochenmodell (oben) und Nachbearbeitetes digitales Weichgewebemodell (unten) jeweils vom Gesichtsbereich
Abbildung 3: Zugeschnittenes digitales Gesamtmodell vom
Gesichtsbereich
Abbildung 4: Digitales LKGS-Modell mit einseitiger kompletter Lippen-Kiefer-Gaumenspalte
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer SD- Druckvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte
umfasst :
1) schichtweises Aufbringen einer oder mehrerer Druckmassen auf eine Trägerplatte, auf ein darauf positioniertes Fremdbauteil oder zuvor aufgebrachten Druckmassen-Schicht, wobei die
Druckmassen wenigstens ein strukturbildendes Druckmaterial bestehend aus einer durch elektromagnetische Strahlung
vernetzbaren Siliconkautschukzusammensetzung umfassen;
2) Vernetzung oder Anvernetzung der aufgebrachten Druckmasse durch elektromagnetische Strahlung;
3) Wiederholung der Schritte 1) und 2) bis das anatomische Modell komplett aufgebaut ist. Geeignete 3D-Druckvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise in WO 2016/071241 AI beschrieben. Die 3D-Druckvorrichtung enthält bevorzugt mindestens eine Austragevorrichtung, eine Quelle für elektromagnetische Strahlung und eine Trägerplatte.
Vorzugsweise ist die Austragevorrichtung so eingerichtet, dass Druckmassen in Form einzelner isolierter Tropfen (Voxel) , als Tropfenreihe oder in Form eines Strangs abgegeben werden können. Fließende Übergänge zwischen diesen Formen sind möglich .
Zur Abgabe einzelner Tropfen kann die Austragevorrichtung eine oder mehrere Düsen umfassen, die Flüssigkeitstropfen aus Druckmasse in Richtung der Basisplatte emittieren. Solche Düsen werden auch als Jetting-Düsen bezeichnet.
Zur Abgabe von Strängen aus Druckmasse wird die Druckmasse mittels Druckbeaufschlagung eines Vorratsbehälters, z.B. aus einer Kartusche, Spritze oder einem Fass, durch eine Düse als Strang herausgepresst und auf der Basisplatte zum Objekt selektiv abgeschieden. Derartige Austragevorrichtungen werden auch als Dispenser bezeichnet. Es können mehrere, auch technisch unterschiedliche Austragevorrichtungen für verschiedene Druckmassen in der SD- Druckvorrichtung vorgesehen sein. So kann die SD- Druckvorrichtung eine oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Jetting-Düsen und/oder einen oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Dispenser aufweisen. Die Austragevorrichtung umfasst bevorzugt Jet-Ventile mit Piezoelementen . Diese ermöglichen das Austragen sowohl niedrigviskoser Materialien, wobei Tropfenvolumen für Tropfen von einigen wenigen Pikolitern (pL) (2 pL entsprechen einem Tropfendurchmesser von ca. 0,035 ym) realisiert werden können, als auch mittel- und hochviskoser Materialien wie insbesondere Siliconkautschukmassen, wobei Piezo-Druckköpfe mit einem Düsendurchmesser zwischen 50 und 500 ym bevorzugt werden und Tropfenvolumen im Nanoliter-Bereich (1 bis 100 nL) erzeugt werden können. Mit niedrigviskosen Massen (kleiner als 100 mPa-s) können diese Druckköpfe Tröpfchen mit sehr hoher Dosierfrequenz abgeben (ca. 1 bis 30 kHz), während mit höherviskosen Massen (über 100 Pa -s) in Abhängigkeit von den rheologischen Eigenschaften (scherverdünnendes Verhalten) Dosierfrequenzen bis zu ca. 500 Hz erzielt werden können. Geeignete Jetting-Düsen sind im Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise in DE 102011108799 AI beschrieben.
Vorzugsweise werden die Druckmassen in Form von Tropfen
aufgetragen. Ganz besonders bevorzugt werden die Druckmassen mittels Drop-on-Demand-Verfahren (DOD-Verfahren) aufgetragen. Das DOD-Verfahren ist besonders geeignet um komplexe Modelle herstellen zu können. Im Drop-on-Demand-Verfahren wird jeder gedruckte Tropfen zuvor gezielt erzeugt und an einen für diesen Tropfen definierten Ort abgelegt.
Die Druckmassen der vorliegenden Erfindung umfassen wenigstens ein strukturbildendes Druckmaterial bestehend aus einer durch elektromagnetische Strahlung vernetzbaren Siliconkautschuk- Zusammensetzung. Unter einem strukturbildenden Druckmaterial wird bei der vorliegenden Erfindung ein Druckmaterial
verstanden, dass zum Aufbau der Struktur des anatomischen
Modells selbst eingesetzt wird. Im Vergleich dazu können auch verschiedene Stützmaterialien eingesetzt werden, die jedoch nach dem Aufbau des anatomischen Modells wieder entfernt werden . Die strukturbildenden Druckmassen können zusätzlich ein oder mehrere weitere vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzungen umfassen, die sich voneinander unterscheiden. Die
Siliconkautschukzusammensetzungen können sich im vernetzten Zustand beispielsweise hinsichtlich der Shore-Härte, der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit, der Farbe, der Transparenz, der Hydrophilie und/oder dem
Quellungsverhalten unterscheiden .
Geeignete Siliconkautschukzusammensetzungen sind im Stand der Technik bekannt. Besonders geeignet sind die in
WO 2017/081028 AI, WO 2017/089496 AI und WO 2017/121733 AI beschriebenen Siliconkautschukzusammensetzungen .
Die vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung und/oder gegebenenfalls zusätzliche Siliconkautschukzusammensetzungen weisen im unvernetzten Zustand bevorzugt eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevorzugt 40 Pa-s oder mehr, besonders
bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr und 1.000 Pa-s oder weniger, auf, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s_1.
Die Viskosität der Siliconkautschukzusammensetzung kann mit einem Rheometer nach DIN EN ISO 3219: 1994 und DIN 53019 gemessen werden, wobei ein Kegel-Platte-System (Kegel CP50-2) mit einem Öffnungswinkel von 2° verwendet werden kann. Ein geeignetes Rheometer ist beispielsweise das „MCR 302" der Fa. Anton Paar; Graz, Österreich. Die Kalibrierung des Gerätes kann mit einem Standardmaterial, beispielsweise Normalöl 10000 der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig, Deutschland, durchgeführt werden.
Die Siliconkautschukzusammensetzungen können ein- oder mehr- komponentig, vorzugsweise einkomponentig formuliert werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei den im erfindungsgemäßen
Verfahren eingesetzten Siliconkautschukzusammensetzungen um additionsvernetzende Siliconkautschukzusammensetzungen .
Additionsvernetzende Siliconkautschukzusammensetzungen werden typischerweise durch Reaktion von ungesättigten Gruppen z.B. Alkenyl-Gruppen mit Si-H-Gruppen (Hydrosilylierung) in der Siliconkautschukzusammensetzung vernetzt. Die Vernetzung kann entweder thermisch und/oder durch UV- oder UV-VIS-Licht
induziert werden. Solche Siliconkautschukmassen sind
beispielsweise aus WO 2016/071241 AI und in den darin zitierten Druckschriften bekannt.
Die Vernetzung kommt durch UV/VIS-induzierte Aktivierung eines lichtempfindlichen Hydrosilylierungskatalysators zustande, wobei Platin-Komplexe als Katalysatoren bevorzugt sind. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche lichtempfindliche Platinkatalysatoren bekannt, die unter Lichtausschluss weitgehend inaktiv sind und durch Bestrahlung mit UV/VIS-Licht in bei Raumtemperatur aktive Platin-Katalysatoren überführt werden können.
Die Druckmassen können zusätzlich ein oder mehrere der
folgenden strukturbildenden Druckmaterialien umfassen:
Silicongele, Siliconharze, Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie
Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Homo- und Copolymere. Bevorzugt handelt es sich bei den Druckmassen um Materialien, welche zumindest während der
Verarbeitung in einer fließfähigen Form vorliegen und nach dem Austrag ausgehärtet oder vernetzt werden können. Die
Druckmassen können ein- oder mehrkomponentig, vorzugsweise einkomponentig formuliert werden.
Die strukturbildenden Druckmassen umfassen die oben
beschriebenen Siliconkautschukzusammensetzungen vorzugsweise in einer Menge von 50 Gew.-% oder mehr, besonders bevorzugt
70 Gew.-% oder mehr, ganz besonders bevorzugt 90 Gew.-% oder mehr, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der
strukturbildenden Druckmassen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die strukturbildenden Druckmassen ausschließlich aus Siliconkautschukzusammensetzungen.
Die strukturbildenden Materialien können sich im vernetzten Zustand beispielsweise hinsichtlich der Shore-Härte, der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit, der Farbe, der Transparenz, der Hydrophilie und/oder dem
Quellungsverhalten unterscheiden.
Für anatomische Modelle können Materialien von gelartigen
Materialien (Penetrationsmessung) , über sehr weiche Materialien der Shorehärte-Skala AO oder 00 bis hin zu steifen Materialien der Shorehärte-Skala D eingesetzt werden. Bevorzugt sind
Materialien der Shorehärte 25 Shore 00 bis Shorehärte 90
Shore A. Besonders bevorzugt werden Silicone der Shorehärte 25 Shore 00 bis Shorehärte 90 Shore A eingesetzt. Die Messung der Shorehärte kann über ein Shorehärtemessgerät , z.B. nach DIN ISO 7619-1:2012-02 oder ASTM D2240 erfolgen. Für die Messung der Eindringhärte von Elastomeren wird die
Eindringtiefe eines federbelasteten Stifts in das Material gemessen. Dafür wird ein Probekörper einer vorgegebenen Dicke (z.B. 6 mm) auf eine ebene, harte Fläche gelegt und ein
definierter Eindringkörper für eine definierte Prüfzeit, z.B. 3 s, mithilfe der Prüfkraft senkrecht auf den Prüfkörper aufgebracht. Nach Ablauf der Prüfzeit kann der Anzeigewert der Shore-Härte abgelesen werden. Ein geeignetes Gerät ist
beispielsweise das Shore A Härteprüfgerät SHA.D3 der Firma Q- tec GmbH, Zeilarn, Deutschland. Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Druckmassen ist deren Elastizität, die das natürliche Verhalten bestimmter
biologischen Gewebe besonders realistisch nachstellen soll. Besonders bevorzugt werden dabei z.B. für Weichgewebe
Reißdehnungen der Druckmasse von 100 % bis 1000 ~6 , in
Abhängigkeit der jeweiligen Materialhärte.
Des Weiteren können die Druckmassen bevorzugt so eingefärbt werden, dass sie der optischen Erscheinung des biologischen Gewebes möglichst gut entsprechen. So können z.B. Druckmassen aus Silicon mit einem variablen Anteil an Farbpaste eingefärbt werden, bevorzugt können beispielsweise Muskeln in einem beliebigen Rotton eingefärbt werden, Knochen in weiß und
Hautpartien in einem Hautton. Des Weiteren kann entgegengesetzt zu dem biologischen Original, ein transluzentes oder optisch transparentes Material gewählt werden, um Vorgänge im Inneren des Modells besser visuell erfassen zu können.
Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Druckmasse ist ein möglichst realistisches Verhalten in der Trainingssituation am Modell. Die ausgewählten Druckmassen sollen sich beim
Schneiden, Durchtrennen, Vernähen, Separieren, Zusammenfügen durch Klammern oder Pflaster, etc. möglichst so verhalten, wie das Originalgewebe. Auch das Fließverhalten von Körperfluiden in, an oder über die anatomischen Siliconmodelle, die Verformung in einer manuellen Untersuchung durch den Arzt, etc. soll bevorzugt möglichst nahe den realen Gegebenheiten im
Körper entsprechen.
Die Druckmassen werden daher bevorzugt so ausgewählt, dass sie die entsprechende anatomische Struktur bezüglich der optischen, mechanischen und/oder haptischen Eigenschaften realitätsnah abbilden. Dies kann bevorzugt durch einen Vergleich der
Eigenschaften des biologischen Modells mit dem gedruckten haptischen Modell und iterative Anpassung der Materialauswahl erfolgen .
Durch die systematische Untersuchung der Eigenschaften und des Verhaltens der gedruckten Modelle soll eine möglichst
realitätsnahe Abbildung der Eigenschaften des biologischen Originals sichergestellt werden. Als Vergleichsgrundlage werden hierfür aus der Literatur bekannte Werte für das biologische Gewebe herangezogen. Falls solche Werte nicht existieren, werden Versuche an biologischen Proben durchgeführt um
Vergleichswerte zu generieren. An den Modellen werden
anschließend unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt. Zu diesen können unter anderem geometrische Untersuchungen,
Dichtemessungen, Zugversuche, Relaxationsversuche, statische und dynamische Belastungsversuche, statische und dynamische Verformungsversuche und Härtemessungen gehören. Weiterhin können diese Untersuchungen durch speziell auf das medizinische Umfeld angepasste Evaluationen, wie haptische Untersuchungen, Schnittversuche, Durchflussverhalten, Verhalten bei der
Separation unterschiedlicher Schichten und Nähverhalten
erweitert werden. Diese Untersuchungen bilden die Basis für die anschließende klinische Evaluation. Im ersten Schritt werden hier die
digitalen und haptischen Modelle an sich von medizinischen Experten betrachtet und bezüglich ihrer Eigenschaften, wie zum Beispiel der Darstellung der Anatomie, der Handhabung und
Qualität evaluiert. Falls es sich bei den Modellen um
Übungsmodelle handelt, werden diese in einem zweiten Schritt in einer medizinischen Simulation eingesetzt, d.h. an dem
jeweiligen Modell werden geeignete Untersuchungen oder
Behandlungen durchgeführt. Hierbei soll die Situation und
Durchführung der Untersuchung und Behandlung einer klinischen Situation am realen Patienten möglichst nahekommen. Das
Verhalten der Modelle in der medizinischen Simulation kann von medizinischem Fachpersonal sowie auch von technischen Experten evaluiert werden.
Basierend auf den Ergebnissen aller Untersuchungen werden die Modelle in der Entwicklung iterativ angepasst und
weiterentwickelt, um so möglichst realitätsnahe Modelle zu generieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Druckmassen zusätzlich ein oder mehrere Stützmaterialien, die nach
Abschluss des Aufbaus des anatomischen Modells wieder entfernt werden.
Das Setzen von Stützmaterial kann erforderlich sein, wenn das anatomische Modell Hohlräume, Hinterschnitte, überhängende, freitragende oder dünnwandige Teile aufweisen soll, da die Druckmassen nicht frei im Raum schwebend gesetzt werden können. Das Stützmaterial füllt während des Druckprozesses Raumvolumina aus und dient als Basis oder als Gerüst, um darauf die Druckmassen setzen und aushärten zu können. Das Stützmaterial wird nach Beendigung des Druckprozesses wieder entfernt und gibt die Hohlräume, Hinterschnitte sowie überhängenden, freitragenden oder dünnwandigen Partien des Druckobjekts frei. Zusätzlich kann Stützmaterial auch an Stellen vorgesehen werden, an denen es technisch nicht zwingend nötig ist. So können Bauteile beispielsweise in Stützmaterial eingepackt werden, um die Qualität des Druckergebnisses zu erhöhen oder die Oberflächenqualität des Druckerzeugnisses zu beeinflussen. In der Regel wird als Stützmaterial ein von dem Material des zu druckenden anatomischen Modells abweichendes Material verwendet, z.B. nicht vernetzendes und nicht kohäsives Material. Abhängig von der Geometrie des Objekts wird die notwendige Form des Stützmaterials berechnet. Bei der Berechnung der Form des Stützmaterials können verschiedene Strategien eingesetzt werden, um beispielsweise möglichst wenig Stützmaterial zu verwenden oder um die Maßhaltigkeit des Produktes zu erhöhen.
Wird Stützmaterial eingesetzt, so kann der Druckkopf eine oder mehrere weitere Austragevorrichtungen für das Stützmaterial aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann für das Austragen von Stützmaterial auch ein weiterer Druckkopf mit entsprechenden Austragevorrichtungen vorgesehen sein. Geeignete Stützmaterialien sind im Stand der Technik bekannt. Besonders geeignet sind Stützmaterialien, wie sie in WO 2017/020971 AI beschrieben sind.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Vernetzung oder Anvernetzung der aufgebrachten Druckmasse durch elektro- magnetische Strahlung. Die Einwirkung der elektromagnetischen
Strahlung auf die Druckmassen erfolgt vorzugsweise ortsselektiv oder flächig, gepulst oder kontinuierlich sowie mit konstanter oder veränderlicher Intensität. Es kann zweckmäßig sein, den gesamten Arbeitsbereich während des Drucks permanent zu bestrahlen, um vollständige Vernetzung zu erzielen, oder nur kurzzeitig der Strahlung auszusetzen, um gezielt eine unvollständige Vernetzung (Anvernetzung/
Grünfestigkeit) herbeizuführen, was u.U. mit einer besseren Haftung der Einzelschichten untereinander einhergehen kann.
Die Vernetzung oder Anvernetzung der Druckmassen erfolgt vorzugsweise thermisch und/oder durch UV- oder UV/VIS- Strahlung, ganz besonders bevorzugt durch UV- oder UV/VIS- Strahlung .
UV-Strahlung weist eine Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 380 nm auf, während sichtbares Licht (VIS-Strahlung) eine Wellenlänge im Bereich von 380 bis 780 nm aufweist.
Gegenüber einer thermischen Vernetzung hat die UV/VIS- induzierte Vernetzung Vorteile. Zum einen können Intensität, Einwirkungszeit und Einwirkungsort der UV/VIS-Strahlung genau bemessen werden, während das Aufheizen der ausgetragenen strukturbildenden Druckmaterialien (wie auch deren anschließendes Abkühlen) durch die relativ geringe thermische Leitfähigkeit stets verzögert erfolgt. Aufgrund des intrinsisch sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliconkautschukzusammensetzungen führen die bei thermischer Vernetzung zwangsläufig vorhandenen Temperaturgradienten zu mechanischen Spannungen, welche die Maßhaltigkeit des gebildeten Objekts negativ beeinflussen können, was im Extremfall zu inakzeptablen Formverzerrungen führen kann. Die Geschwindigkeit der UV/VIS-induzierten Vernetzung hängt von zahlreichen Faktoren ab, insbesondere von der Art und Konzentration des lichtempfindlichen Katalysators, von der Intensität, Wellenlänge und Einwirkungszeit der UV/VIS- Strahlung, der Transparenz, Reflektivität , Schichtdicke und Zusammensetzung der Druckmasse und der Temperatur.
Für die Aushärtung der UV/VIS-induziert vernetzenden Siliconkautschukmassen wird bevorzugt Licht der Wellenlänge 240 bis 500 nm, weiter bevorzugt 250 bis 400 nm, besonders bevorzugt 350 bis 400 nm, insbesondere bevorzugt 365 nm eingesetzt .
Um eine rasche Vernetzung zu erzielen, worunter eine Vernetzungszeit bei Raumtemperatur von weniger als 20 min, vorzugsweise weniger als 10 min, besonders bevorzugt weniger als 1 min verstanden werden soll, empfiehlt sich die Verwendung einer UV/VIS-Strahlungsquelle mit einer Leistung zwischen 10 mW/cm2 und 20.000 mW/cm2, bevorzugt zwischen 30 mW/cm2 und 15.000 mW/cm2, sowie eine Strahlungsdosis zwischen 150 mJ/cm2 und 20.000 mJ/cm2, bevorzugt zwischen 500 mJ/cm2 und 10.000 mJ/cm2. Im Rahmen dieser Leistungs- und Dosis-Werte lassen sich flächenspezifische Bestrahlungszeiten zwischen maximal 2.000 s/cm2 und minimal 8 ms/cm2 realisieren.
Werden Druckmassen eingesetzt, die unter UV/VIS-Einwirkung aushärten, so weist die 3D-Druckvorrichtung bevorzugt eine UV/VIS-Belichtungseinheit auf. Bei ortsselektiver Belichtung ist die UV/VIS-Quelle relativ zur Basisplatte beweglich angeordnet und beleuchtet nur ausgewählte Bereiche des Objekts. Bei einer flächigen Belichtung ist die UV/VIS-Quelle in einer Variante derart ausgestaltet, dass das gesamte Objekt bzw. eine gesamte Materialschicht des Objekts auf einmal belichtet wird. In einer bevorzugten Variante ist die UV/VIS-Quelle derart ausgebildet, dass ihre Lichtstärke oder ihre Energie variabel eingestellt werden kann und dass die UV/VIS-Quelle zur gleichen Zeit nur einen Teilbereich des Objekts belichtet, wobei die UV/VIS-Quelle derart relativ zu dem Objekt bewegt werden kann, dass das gesamte Objekt mit dem UV/VIS-Licht , ggf. in unterschiedlicher Intensität, belichtet werden kann. Beispielsweise ist die UV/VIS-Quelle hierzu als UV/VIS-LED Leiste ausgestaltet und wird relativ zu dem Objekt, bzw. über das gedruckte Objekt bewegt.
Im Fall von thermisch-vernetzbaren Druckmassen kann die Vernetzung durch IR-Strahlung erfolgen, z.B. mittels eines (N) IR-Lasers oder einer Infrarotlampe.
Für das Durchführen der Aushärtung wird eine Aushärtestrategie verwendet. Bevorzugt erfolgt eine Aushärtung der Druckmassen nach dem Setzen einer Schicht, nach dem Setzen mehrerer Schichten oder direkt während des Drucks.
Ein Aushärten der Druckmassen direkt während des Drucks wird als Direkt-Aushärtestrategie bezeichnet. Werden beispielsweise durch UV/VIS-Strahlung aushärtbare strukturbildende
Druckmaterialien verwendet, so ist im Vergleich zu anderen Aushärtestrategien die UV/VIS-Quelle sehr lange aktiv, so dass mit sehr viel geringerer Intensität gearbeitet werden kann, was zu einem langsamen Durchvernetzen des Objekts führt. Dies begrenzt die Erwärmung des Objekts und führt zu maßhaltigen Objekten, da keine Ausdehnung des Objekts aufgrund von Temperaturspitzen auftritt.
Bei der Pro-Layer-Aushärtestrategie erfolgt nach dem Setzen jeder vollständigen Materialschicht die strahlungsinduzierte Vernetzung der gesetzten Materialschicht. Während dieses Vorgangs verbindet sich die frisch gedruckte Schicht mit der ausgehärteten darunterliegenden gedruckten Schicht. Das Aushärten erfolgt nicht sofort nach dem Setzen einer Druckmasse, so dass die Druckmassen vor dem Aushärten Zeit haben, zu relaxieren. Hiermit ist gemeint, dass die Druckmassen ineinander fließen können, wodurch eine glattere Oberfläche als bei der Direkt-Aushärtestrategie erzielt wird. Bei der n-Layer-Aushärtestrategie wird ähnlich wie bei der Pro- Layer-Aushärtestrategie verfahren, jedoch wird das Aushärten erst nach dem Setzen von n Materialschichten vorgenommen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die für das Relaxieren der Druckmassen zur Verfügung stehende Zeit wird weiter erhöht, wodurch sich die Oberflächengüte weiter verbessert.
Das anatomische Modell besteht vorzugsweise zu 50 Gew.-% oder mehr, besonders bevorzugt 70 Gew.-% oder mehr, ganz besonders bevorzugt 90 Gew.-% oder mehr, aus einem oder mehreren
Siliconelastomeren, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des anatomischen Modells. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform besteht das anatomische Modell ausschließlich aus einem oder mehreren Siliconelastomeren. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das anatomische Modell auf Grundlage eines aus anatomischen
Messdaten generierten digitalen 3D-Modells hergestellt.
Die anatomischen Messdaten können dabei beispielsweise durch medizinische Bildgebungsverfahren oder Oberflächen-Scans erhalten werden.
Hierfür können unterschiedliche Verfahren genutzt werden, die bestimmte Körperbereiche sowohl im Inneren des Körpers (wie beispielsweise Organe, Muskeln, Knochen, Gewebe) als auch
Bereiche der Körperoberfläche eines Menschen erfassen. Hierfür können Oberflächen-Scan-Verfahren verwendet werden, wie
beispielsweise Laser-Scan-Verfahren, die außenliegende Körperbereiche erfassen oder durch das Einbringen in Körperöffnungen dahinterliegende Hohlräume abbilden (z.B. in der Mundhöhle oder im Gehörgang) . Des Weiteren können Verfahren der medizinischen Bildgebung für die Datenerfassung, wie beispielsweise die Röntgenaufnahmen, Computertomographie (CT) , die Magnetresonanztomographie (MRT) , Nuklearmedizin (NUK) , Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ,
Ultraschalluntersuchungen, Szintigraphie oder Kombinationen dieser verwendet werden.
Beim Erfassen der Daten muss darauf geachtet werden, dass die anatomischen Bereiche, die für das Silicon-Modell benötigt werden, vollständig und mit einer ausreichenden Auflösung abgebildet werden. Bei medizinischen Bilddaten kann
beispielsweise die Verwendung eines Kontrastmittels für die
Darstellung der Blutgefäße (bzw. des Blutflusses innerhalb des Lumens) nötig sein.
Aus den erfassten Daten kann ein digitales 3D-Modell erstellt werden. Als Grundlage für das digitale Modell werden die erfassten medizinische Bilddaten oder Daten aus dem
Oberflächenscanner verwendet. Die Daten des Scanners bestehen meist direkt als Oberflächendatensätze zum Beispiel im . stl Format. Die medizinischen Daten liegen meist als
Schichtdatensätze vor. Von besonderem Interesse sind hierbei sogenannte DICOM-Daten (Digital Imaging and Communications in Medicine) , die einen medizinischen Datenstandard für Röntgen, MRT, CT und Sonographie darstellen. Dabei ist bei 2D Aufnahmen jedem Pixel oder bei Schichtaufnahmen jedem Voxel ein Grau-, Signal- oder Parameterwert zugeordnet. Zusätzlich enthält das DICOM-Format weitere Informationen wie beispielsweise
Patientendaten oder Schichtdicke. Die Daten können alternativ beispielsweise auch im .nrrd-Format vorliegen. Die Erstellung eines Oberflächenmodells aus den medizinischen Schichtdaten erfolgt mittels Segmentierung. Die Segmentierung realisiert den Übergang von unstrukturierten Pixeln bzw.
Voxelmengen zu interpretierbaren Objekten (Segmenten). Jeder Pixel beziehungsweise Voxel wird hierbei einem bestimmten
Segment zugeordnet. Dies wird genutzt um spezifische
Gewebeklassen und/ oder anatomische Strukturen voneinander zu differenzieren und als eindeutig zusammengehörig zu definieren. Bei der manuellen Segmentierung wird die entsprechende Struktur in jedem einzelnen Schichtbild markiert. Bei Verfahren zur automatischen Segmentierung, die in pixel-, kanten- und
regionenbasierte Verfahren untergliedert und miteinander kombiniert werden, kann dieser Prozess zeitlich beschleunigt werden. Die pixelorientierten Schwellwertverfahren fassen inhaltlich zusammenhängende Regionen beziehungsweise Pixel oder Voxel mit demselben Grauwert gemäß eines Homogenitätskriteriums zusammen. Das zugrundeliegende Homogenitätskriterium ist die Hounsfield-Skala (HU-Skala, engl.: Hounsfield Units). Die HU- Skala ermöglicht einen standardisierten Vergleich verschiedener CT-Bilder durch die Relation des Abschwächungskoeffizienten von einem bestimmten Gewebe zu dem von Wasser (0 HU) . Die
Segmentierung kann entweder durch benutzeroberflächenorientierte Softwaretools oder durch direkte Programme
durchgeführt werden. Die entstandenen Segmente können
anschließend als Oberflächenmodelle zum Beispiel im . stl Format exportiert werden. Abhängig von der betrachteten anatomischen Struktur, des zur Verfügung stehenden Datensatzes und des geplanten Modelleinsatzes kann es sich auch als sinnvoll erweisen mehrere Datensätze, z.B. MRT und CT, und/oder mehrere Softwareprogramme zu kombinieren. Die Softwarekombination kann z.B. über einen Zwischenexport einer Modellvorstufe als . stl- Datei aus einem ersten Programm und die Übertragung dessen zurück auf die Schichtdaten in einem zweiten Programm erfolgen. Dies kann von Nutzen sein, wenn die Programme unterschiedliche Werkzeuge zur Segmentierung bereitstellen. Auch die Kombination mit einem direkten Segmentierungsprogrammcode ist hier unter Umständen zielführend.
Das digitale 3D-Modell kann vor dem Druck des anatomischen Modells digital nachbearbeitet werden. Die Nachbearbeitung der digitalen anatomischen Modelle kann volumen-, netz- und/oder punktbasiert erfolgen. Zur Nachbearbeitung der digitalen
Modelle können unterschiedliche Programme und
Softwareumgebungen genutzt werden, welche von klassischen
Ingenieurtools wie CAD-Programmen bis zu intuitiven manuellen Designumgebungen reichen.
Zunächst wird das Netz der Oberflächenmodelle, direkt aus dem Oberflächenscanner oder indirekt aus medizinischen Bilddaten über Segmentierung gewonnen, für die weitere Bearbeitung auf Fehler untersucht, bereinigt und wenn nötig geglättet. Um die Datenmenge der Modelle handhaben zu können wird auch eine
Netzvereinfachung durch eine Reduzierung der
Dreiecksoberflächen angestrebt. Die genannten Schritte zur Netzhandhabung werden in iterativen Schleifen auch nach
weiteren Modellbearbeitungsschritten fällig.
Zur Erstellung generischer Modelle kann die aus medizinischen Bilddaten und/oder Scandaten erstellte Oberfläche entsprechend der Anforderungen angepasst werden. Dies kann unter anderem dazu dienen unterschiedliche anatomische Ausprägungen
abzubilden, wie beispielsweise definierte Pathologien gezielt zu erzeugen oder unerwünschte (untypische) Anatomien des eingesetzten Patientenscans zu korrigieren. Hierzu können folgende Manipulationsmöglichkeiten automatisiert oder manuell in beliebiger Kombination, Auswahl und Iteration genutzt werden :
Boolesche Operationen (Vereinigen, Abziehen,
Verschneiden) von zwei oder mehreren Oberflächenmodellen Zuschneiden der Modelle
Skalierungen
Hinzufügen von Material über Offsetfunktionen
Erschaffen von Hohlstrukturen
Generierung von Spalten
Generierung von Löchern
Generierung von Brücken
Hinzufügen Volumen
Abziehen von Volumen
Deformation des Netzes
Versetzen von Netzknotenpunkten
Abrunden von Oberflächen
Glätten von Oberflächen
Diese Manipulationsmöglichkeiten können auch genutzt werden um ein aus mehreren Oberflächenmodellen bestehendes Gesamtmodell zu erstellen und gegebenenfalls die Einzelkomponenten
aufeinander abzustimmen.
Des Weiteren ist eine Parametrisierung des Modells möglich. Somit können gewisse konstruierte Geometriemerkmale durch Eingabe oder Veränderung eines Parameters adaptiv angepasst werden. Diese Parametrisierung ist auch mit einer
Benutzeroberfläche kombinierbar, so dass auch unerfahrene Konstrukteure sich durch Verwendung der Benutzeroberfläche ihr eigenes Modell mit dem entsprechenden Krankheitsbild
zusammenstellen können. Weiterhin kann das anatomische Modell nach dem Druck nachbehandelt oder nachbearbeitet werden. Die Nachbehandlung wird bevorzugt aus einer oder mehreren der folgenden Methoden ausgewählt: Wärmebehandlung, Oberflächenbeschichtung, Setzen von Schnitten, Teilen und Abtrennen von Segmenten und
Zusammenfügen einzelner Bauteile. Beispielsweise kann eine Wärmebehandlung des Bauteils für 4 Stunden bei 200 °C erfolgen. Dies entspricht einer für Siliconelastomere typischen
Temperbehandlung. Eine besonders geeignete Temperbehandlung ist in WO 2010/015547 AI beschrieben.
Des Weiteren können die Modelle nach dem 3D-Druck lokal oder global beschichtet werden, um beispielsweise die
Oberflächeneigenschaften des Modells zu optimieren. Zu den Eigenschaften, die durch eine Beschichtung optimiert werden können, zählen beispielsweise Oberflächenrauheit,
Reibungskoeffizient, Farbe, Transparenz des Bauteils,
Verringerung des Stufeneffektes des 3D-Drucks, Aufbringen einer Oberflächenschicht, die sich materialseitig vom eigentlichen Bauteil unterscheidet, usw. Eine weitere Möglichkeit der
Nachbearbeitung ist beispielsweise das Setzen von Schnitten, Teilen bzw. Abtrennen von einzelnen Segmenten, Zusammenfügen von einzelnen Bauteilen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein anatomisches Modell, das durch das oben beschriebene 3D-Druckverfahren hergestellt wird. Dabei kann das anatomische Modell auch durch die Kombination eines solchen 3D-Druckverfahrens mit wenigstens einer anderen additiven oder konventionellen
Fertigungstechnologie hergestellt werden.
Das erfindungsgemäß hergestellte anatomische Modell entspricht bevorzugt der gesunden menschlichen Anatomie oder einem bestimmten Krankheitsbild (Pathologie) . Diese können in
unterschiedlichen Ausprägungsformen und Kombinationen
vorliegen. Das erfindungsgemäß hergestellte anatomische Modell bildet bevorzugt eine Lippen-Kiefer-Gaumenspalte, Blutgefäße, Herz oder Hirnventrikel nach. Darüber hinaus kann das
erfindungsgemäß hergestellte anatomische Modell ein generisches oder ein patientenspezifisches Modell sein.
Eine bevorzugte Eigenschaft der anatomischen Modelle ist, dass sie die entsprechende anatomische Struktur bezüglich der optischen, mechanischen und/oder haptischen Eigenschaften realitätsnah abbilden. Dies kann bevorzugt durch einen
Vergleich der Eigenschaften des biologischen Modells mit dem gedruckten haptischen Modell und iterative Anpassung der
Materialauswahl erfolgen.
Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der anatomischen Modelle ist, dass unterschiedliche Gewebearten bezüglich ihrer Härte möglichst realitätsnah dargestellt werden. Eine besonders bevorzugte Eigenschaft der anatomischen Modelle ist eine realitätsnahe Abbildung von Weichgewebe durch Silicone
unterschiedlicher Shorehärten.
Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Modelle ist deren
Elastizität, die das natürliche Verhalten bestimmter
biologischen Gewebe besonders realistisch nachstellt. Besonders bevorzugt werden dabei z.B. für Weichgewebe Reißdehnungen der Druckmasse von 100 % bis 1000 %, in Abhängigkeit der jeweiligen Materialhärte .
Des Weiteren können die Modelle bevorzugt so eingefärbt werden, dass sie der optischen Erscheinung des biologischen Gewebes möglichst gut entsprechen. So können beispielsweise Muskeln in einem beliebigen Rotton eingefärbt werden, Knochen in weiß und Hautpartien in einem Hautton. Des Weiteren kann entgegengesetzt zu dem biologischen Original, ein transluzentes oder optisch transparentes Material gewählt werden, um Vorgänge im Inneren des Modells besser visuell erfassen zu können.
Eine weitere bevorzugte Eigenschaft des anatomischen Modells ist ein möglichst realistisches Verhalten in der
Trainingssituation am Modell. Die gefertigten Modelle sollen sich beim Schneiden, Durchtrennen, Vernähen, Separieren,
Zusammenfügen durch Klammern oder Pflaster, etc. möglichst so verhalten, wie das Original. Auch das Fließverhalten von
Körperfluiden in, an oder über die anatomischen Siliconmodelle, die Verformung in einer manuellen Untersuchung durch den Arzt, etc. soll bevorzugt möglichst nahe den realen Gegebenheiten im Körper entsprechen.
Vorteile der Erfindung
Durch die hier vorgeschlagene Erfindung erfolgt eine direkte additive Fertigung anatomischer Modelle aus Siliconen, das heißt ein digitales Modell wird direkt über den 3D-Drucker in ein haptisches Siliconmodell umgesetzt. Die Erstellung von Formen oder verlorenen Kernen sowie das manuelle oder
automatisierte Abgießen der Formen ist nicht erforderlich.
Dadurch wird die Herstellung der Modelle vereinfacht und es können Kosten eingespart werden. Des Weiteren ist durch den direkten 3D-Druck in einem tröpfchenbasierten Verfahren in Kombination mit einem Stützmaterial, wie in der vorgelegten Erfindung beschrieben, eine Fertigung komplexer anatomischer Modelle problemlos möglich.
Diese Erfindung beinhaltet außerdem die komplette Prozesskette von der digitalen Erfassung des anatomischen Modells bis hin zur Umsetzung im 3D-Druck und einer eventuellen
Nachbearbeitung. Vorteilhaft ist dabei, dass während der
Modellerstellung auf Besonderheiten des tröpfchenbasierten SD- Druckprozesses Rücksicht genommen werden kann. So können beispielsweise unterschiedlich harte Bereiche bei der
Modellerstellung unterschiedlichen Modellteilen zugeordnet und dann in unterschiedlichen Materialtypen realisiert werden. Des Weiteren können Merkmale des Modells (Hohlräume, minimale
Wandstärken, Radien, etc.) durch konstruktive Maßnahmen so angepasst werden, dass das digitale anatomische Modell durch die beschriebene 3D-Druck-Technologie umgesetzt werden kann.
Ein weiterer neuartiger Schritt ist die konstruktive Abänderung des anatomischen Modells. So kann ausgehend von einem digitalen Modell durch künstliche Anpassung und manuelle Modellierung / Manipulation des Modells eine unterschiedlich geartete
Ausprägung anatomischer Elemente künstlich erzielt werden.
Des Weiteren können Krankheitsbilder, wie beispielsweise
Deformationen im Gesichtsbereich, gezielt durch Manipulation in das Modell eingebracht werden. Kombiniert mit dem Silicon-SD- Druck können so einzigartige Modelle additiv gefertigt werden.
Durch diesen digitalen Workflow kombiniert mit der additiven Fertigung, die eine automatisierte Fertigung von Einzelstücken erlaubt, ist es möglich ausgehend von einem Grundmodell eine beliebige Anzahl an haptischen Modellen zu schaffen, die sich in ihren anatomischen Strukturen sowie in der Art, Anzahl, Größe, Lage, etc. von Defekten und Krankheitsbildern
unterscheiden.
Neben dieser manipulativen Abänderung einer realen Anatomie, kann es aber auch erwünscht sein, exakt die Anatomie eines spezifischen Patienten nachzustellen. Dies ist über die
Erfassung und möglichst genauer Segmentierung der spezifischen Patientendaten möglich. Anhand des erstellten anatomischen Modells können Operationen geplant und geübt werden, die
Patientenaufklärung wird erleichtert und Implantate können vorab ausgewählt und „probiert" werden. Durch die Abbildung des gesamten Prozesses sowie der direkten Fertigung des Silicon- Modells im 3D-Druck wird dieser Prozess beschleunigt und optimiert. Des Weiteren können so auch
patientenindividualisierte Prothesen, Epithesen, Implantate, etc. unter der Verwendung spezifischer Patientendaten
konstruiert und gefertigt werden. Dabei ist die
Berücksichtigung des anschließenden generativen
Fertigungsprozesses schon während der Modellerstellung von besonderer Bedeutung.
Beispiele
Lippen-Kiefer-Gaumenspalten-Modell (LKGS-Modell ) von
Kleinkindern a. Erzeugung des digitalen Modells:
Ausgangsgrundlage ist ein DICOM-Datensatz eines Erwachsenen im Gesichtsbereich. Hiervon wird der Oberkiefer und die
angrenzenden Knochenbereiche ohne die Zähne segmentiert, sowie in einem zweiten Modell das umgebende Weichmaterial bestehend aus Haut, Muskeln und anderen Weichgewebestrukturen. Die segmentierten Modelle sind in Abbildung 1 dargestellt. Im nächsten Schritt werden die Netze der segmentierten Modelle repariert, Löcher gefüllt und die Oberflächen geglättet. Die Knochenkonturen werden denen eines Säuglings angepasst. Für das Weichgewebemodell werden die Nase, Nasenscheidewand,
Lippenkontur, das Lippenbändchen und falls nötig weitere
Strukturen ausgeformt. Zur leichteren Bearbeitung und Glättung der Innenseite der Lippen und Wangen wird der Gaumen im Bereich des harten Gaumens separiert. Ein neuer Gaumen wird über einen Offset vom Oberkiefer des Knochenmodells erstellt und über Boolesche Operatoren dem Weichgewebemodell hinzugefügt.
Anschließend werden beide Modelle jeweils zugeschnitten und ihre Netze vereinfacht und vereinheitlicht. Die entstandenen Modelle sind Abbildung 2 zu entnehmen.
Anschließend werden die beiden Modelle in ein Gesamtmodell überführt. Falls einzelne Stellen der Außenkonturen des
Weichgewebemodells zu nah an der des Knochenmodells sind, werden diese Stellen durch Hinzufügen von Volumen verstärkt und anschließend die Übergänge wieder geglättet. Das Gesamtmodell wird nun auf den Nasen und Oberkieferbereich zugeschnitten. Über Offsetfunktionen wird eine Hülle um das Knochenmodell generiert, welche dem Weichgewebemodell hinzugefügt wird.
Anschließend werden die entstandenen Löcher zwischen der Hülle und dem Weichgewebemodell gefüllt und das Modell noch einmal zugeschnitten. Das zugeschnittene Modell ist in Abbildung 3 gezeigt .
Über Skalierung, Hinzufügen oder Abziehen von Material wird das Erwachsenenmodell in ein Kindermodell umgewandelt. Hierzu wird das erstellte Modell vermessen und mit den Dimensionen für Kinderkiefer aus der Literatur verglichen. Da hierbei
unterschiedliche Bereiche unterschiedlich stark verformt werden, müssen die Übergänge anschließend erneut angepasst und geglättet sowie das Gesamtmodell erneut zugeschnitten werden, so dass ein harmonisches Gesamtbild entsteht.
Dem Modell werden im nächsten Schritt noch künstlich
ausgewählte Muskeln, Levator Palatini, Tensor Palatini und M.ocl oris, hinzugefügt. Hierzu werden die äußeren Bereiche des Oberflächennetzes des Weichgewebemodells markiert, hinter welchen die Muskeln liegen. Über Offsetfunktionen und
Glättungswerkzeuge werden die Muskeln innerhalb des
Weichgewebemodells erstellt. Durch Abzug von Kopien der Muskeln vom Weichgewebemodell können die entsprechenden Taschen für die Muskeln im Modell erstellt werden. Bei Bedarf, etwa für einen an die Fertigung anschließenden Montageprozess , können die Taschen über Offsets größer als das Muskelmodell gemacht werden oder durch Abziehen von Volumen Zugänge für komplett
eingebettete Muskeln erstellt werden. Diese Anpassungen sind nicht nötig, wenn das Modell am Stück durch Multimaterialdruck gefertigt wird. Das Ergebnis ist ein gesundes
Kinderoberkiefermodell . Durch Bewegen einzelner Netzknotenpunkte, Entfernen und
Hinzufügen von Volumen sowie anschließendes Glätten können unterschiedliche Pathologien, wie beispielsweise eine
einseitige Lippe-Kiefer-Gaumenspalte, abgebildet werden.
Hierbei ist entsprechende wissenschaftliche Literatur sowie die Evaluation durch medizinisches Fachpersonal zur Erstellung eines anatomisch realistischen Modells notwendig. Da sich auch die Muskulatur bei einem Spalt verschiebt, müssen die
entsprechenden Muskeln wie oben dargestellt neu erstellt werden. Da die Gaumenmuskulatur entlang der Spalte verlaufen muss, wird zunächst falls vorhanden die Knochenspalte
vergrößert, um Platz für die Muskulatur zu schaffen. Der
Muskeln wird hier dann anschließend als Offset der
Knochenstruktur generiert. Das entstandene Modell wird nun gegebenenfalls noch für eventuelle Montageschritte vorbereitet, zum Beispiel durch Schnitte zum Einfügen von innenliegenden Strukturen. Abschließend werden noch einmal alle Konturen und Wandstärken (entsprechend der Fertigungsparameter)
kontrolliert, wenn nötig angepasst und das Netz ein letztes Mal bereinigt und vereinfacht.
Das fertige digitale LKGS-Modell mit einseitiger kompletter Spalte, welches in Abbildung 4 zu sehen ist, wird in seinen Einzelteilen zum Beispiel als . stl-Dateien oder als
Gesamtmodell in einem Format für den Mehrkomponentendruck exportiert und an den Drucker übergeben. b. Fertigung des anatomischen Modells Die Fertigung des LKGS-Modells kann entweder durch die
erfindungsgemäße Fertigung der Einzelteile, welche später zusammengebaut werden, oder durch die erfindungsgemäße
Fertigung des Gesamtmodells umgesetzt werden. Für die additive Fertigung der Modelle wurden ACEO® Drucker der Serie K, 100 und 600 verwendet. Die Positionierung der Bauteile sowie die eingesetzte Druckstrategie wurde dem Bauteil
entsprechend gewählt. Anschließend wurde das Modell
entsprechend dem erfindungsgemäßem Verfahren gefertigt. Die Druckparameter wurden dabei mithilfe von Erfahrungswerten des jeweilig verwendeten Materials optimal eingestellt. Für die unterschiedlichen Bereiche werden Materialien
unterschiedlicher Shorehärte, zum Beispiel 10 Shore A für das Weichgewebemodell und die Muskulatur und 60 Shore A für das Knochenmodell so wie Farben, zum Beispiel weiß für den Knochen, rot für die Muskeln und hautfarben für das Weichgewebemodell, gedruckt.
Für das Knochenmodell wurde eine Siliconkautschuk¬ zusammensetzung mit einer Shorehärte von 60 A, für die
Muskulatur und das Weichgewebe wurde eine Siliconkautschuk- Zusammensetzung der Shorehärte 10 A eingesetzt. Zum Einfärben der Modelle wurden kommerziell erhältliche Farbpasten
verwendet .
Im Multimaterialdruck wird das Modell in einem Schritt aus den unterschiedlichen Materialien gefertigt. Bei einer einzelnen Fertigung aller Modellebestandteile, wird noch ein manueller Arbeitsschritt des Zusammensetzens erforderlich. Allgemein kann die Nachbearbeitung des Modells durch Setzen gezielter
Schnitte, Entfernen von Stützmaterial, Einkleben einzelner Segmente, Verschließen zuvor erzeugter Öffnungen, Tempern, manuellem Beschichten oder Einfärben beinhalten. So kann beispielsweise durch eine leicht rot eingefärbte Shore 00 Beschichtung noch die Schleimhaut des LKGS-Modells simuliert werden .
Zusätzlich zu dem oben aufgeführten LKGS-Modellen sind noch weitere Anwendungen sehr gut vorstellbar. Hierzu zählen Modelle von unterschiedlichen Gefäßstrukturen, sowohl gesund als auch erkrankt oder mit Defekt. Hierbei können die unterschiedlichen Fertigungs- und Nachbearbeitungsparameter entsprechend den Anforderungen oder dem biologischen Vorbild angepasst werden. Des Weiteren sind auch Abbildungen des Herzens, gesund, erkrankt oder mit Defekten von Interesse. Möglichkeiten, gerade in der Kombination mit harten oder sehr weichen Materialien bieten auch Gehirnmodelle bzw. Modelle von Gehirnstrukturen. Diese Beispiele lassen bereits erahnen, dass die Anwendungen von Silicon-3D-Druck für Modelle anatomischer Strukturen besonders im Weichgewebebereich sehr vielfältig sind.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer 3D-Druckvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
1) schichtweises Aufbringen einer oder mehr Druckmassen auf eine Trägerplatte, auf ein darauf positioniertes Fremdbauteil oder zuvor aufgebrachten Druckmassen-Schicht, wobei die
Druckmassen wenigstens ein strukturbildendes Druckmaterial bestehend aus einer durch elektromagnetische Strahlung vernetzbaren Siliconkautschukzusammensetzung umfassen;
2) Vernetzung oder Anvernetzung der Druckmasse durch
elektromagnetische Strahlung;
3) Wiederholung der Schritte 1) und 2) bis das anatomische Modell komplett aufgebaut ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Druckmassen in Form von Tropfen aufgetragen werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Druckmassen mittels Drop-on-Demand-Verfahren aufgetragen werden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Druckmassen zusätzlich eine oder mehrere weitere vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzungen umfassen.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung und/oder
gegebenenfalls zusätzliche Siliconkautschukzusammensetzungen eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevorzugt 40 Pa-s oder mehr, besonders bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr, aufweisen, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s_1.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die
Druckmassen zusätzlich ein oder mehrere der folgenden
strukturbildenden Druckmaterialien umfassen:
Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Homo- und Copolymere.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die
Vernetzung oder Anvernetzung thermisch und/oder durch UV- oder UV-VIS-Licht induziert wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Druckmassen zusätzlich ein oder mehrere Stützmaterialien umfassen, die nach Abschluss des Aufbaus des anatomischen
Modells wieder entfernt werden.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die
Druckmassen so ausgewählt werden, dass sie die entsprechende anatomische Struktur bezüglich der optischen, mechanischen und/oder haptischen Eigenschaften realitätsnah abbilden.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das anatomische Modell auf Grundlage eines aus anatomischen
Messdaten generierten digitalen 3D-Modells hergestellt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die anatomischen
Messdaten durch medizinische Bildgebungsverfahren oder
Oberflächen-Scans erhalten werden.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das digitale 3D-Modell vor dem Druck des anatomischen Modells digital nachbearbeitet wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die digitale
Nachbearbeitung aus einer oder mehreren der folgenden Methoden ausgewählt ist: Boolesche Operationen von zwei oder mehreren digitalen 3D-Modellen, Zuschneiden, Skalieren, Hinzufügen von Material über Offsetfunktionen, Erschaffen von Hohlstrukturen, Generierung von Spalten, Generierung von Löchern, Generierung von Brücken, Hinzufügen von Volumen, Abziehen von Volumen, Deformation von Strukturen, Versetzen von Strukturen, Abrunden von Oberflächen und Glätten von Oberflächen.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das anatomische Modell nach dem Druck nachbehandelt oder
nachbearbeitet wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Nachbehandlung aus einer oder mehreren der folgenden Methoden ausgewählt ist:
Wärmebehandlung, Oberflächenbeschichtung, Setzen von Schnitten, Teilen und Abtrennen von Segmenten und Zusammenfügen einzelner Bauteile .
16. Anatomisches Modell hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15.
17. Anatomisches Modell, das durch die Kombination eines
Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 mit wenigstens einer anderen additiven oder konventionellen
Fertigungstechnologie hergestellt wird.
18. Anatomisches Modell gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei das anatomische Modell der gesunden menschlichen Anatomie oder einem Krankheitsbild entspricht.
19. Anatomisches Modell gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das anatomische Modell eine Lippen-Kiefer-Gaumenspalte, Blutgefäße, Herz oder Hirnventrikel nachbildet.
20. Anatomisches Modell gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das gedruckte anatomische Modell ein generisches oder ein patientenspezifisches Modell ist.
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