Rapid Prototyping: 3D oplossingen voor medici en onderzoekers /reageer

Rapid Prototyping: 3D oplossingen voor medici en onderzoekers

Het klinkt als toekomstmuziek, maar ooit zal het zover komen: medewerkers van facultaire dienst IDEE (Instrument Development Engineering & Evaluation) ontwerpen en produceren al tijdens een chirurgische ingreep met behulp van de Rapid Prototyping technologie een implantaat dat ter plekke bij de patiënt kan worden ingebracht. Als eerste medische faculteit in Nederlands beschikt de Faculteit der Geneeskunde van UM over deze nieuwe technologie. Maar hoe werkt Rapid Prototyping?

Zien om te geloven

Je moet het zien om het te geloven. Stel je voor: een kast met daarin een ruimte ter grootte van een oven en een glazen ruit ervoor. In die ruimte wordt laagje voor laagje een model, bijvoorbeeld een schedel, opgebouwd uit heel dunne draden kunststof die verwarmd onder hoge druk uit een opening worden geperst (extrusie). De temperatuur in de kast is precies hoog genoeg om de kunststoflaagjes langzaam te laten versmelten, maar koel genoeg om het model op te bouwen. Langzaam ontstaat de exacte kopie van inderdaad zo’n menselijke schedel. Een schedel die je in de handen kunt nemen en waarmee medici verder aan de slag kunnen, bijvoorbeeld voor het voorbereiden van een moeilijke operatie of het ontwerpen van een implantaat. Hoe is het mogelijk dat Rapid Prototyping dit model volledig 3D kan vervaardigen?

Frans Smeets, hoofd van facultaire dienst IDEEFrans Smeets, hoofd van facultaire dienst IDEE, is trots op de RPT, zoals hij en zijn medewerkers het apparaat noemen. “RPT werkt met behulp van een 3D-printtechniek. Het begint allemaal met een digitale 3D-vorm. Die kun je verkrijgen door middel van bijvoorbeeld een CT-scanner (computertomografie) of MRI (magnetische resonantie imaging), maar ook met een laser scan of een CAD ontwerp (computer aided design).

Wij beschikken over software (MIMICS) die de 3D-gegevens uit een digitaal bestand van de CT-scanner kan segmenteren, bijvoorbeeld door de botstructuren eruit te filteren. Deze segmentatie levert vervolgens een bestand met alle botstructuren van bijvoorbeeld een schedel op. Dit bestand kunnen we inlezen in ons CAD-systeem (Pro-Engineer), waarmee we digitaal bewerkingen kunnen uitvoeren. Bijvoorbeeld het modelleren van een implantaat, zaagmal, boormal of freesmal. Implantaten worden op dit moment voornamelijk nog van titanium gemaakt door middel van een computergestuurde (CNC) freestechniek, omdat titanium een biocompatibel materiaal is dat goed wordt verdragen door het lichaam. Voor de kunststoffen van de RPT-machine moet dit nog worden aangetoond en nieuwe bio-compatibele materialen zullen nog moeten worden ontwikkeld.”

Stukje kaak

Op dit moment wordt de RPT-machine enerzijds ingezet voor de productie van modellen van schedels, kaken en dergelijke en anderzijds voor het maken van hulpmiddelen (mallen) om de operaties te vergemakkelijken. Chirurg en de IDEE ontwerper werken nauw samen. Frans Smeets: “Een voorbeeld: een chirurg moet een stukje kaak bijmaken voor een patiënt. Hij wil dit implantaat maken uit lichaamseigen botmateriaal van de patiënt door een stukje bot elders in het lichaam weg te nemen, bijvoorbeeld uit het schouderblad. Op basis van een 3D CT-scan wordt met behulp van software een model gemaakt van het benodigde stukje bot. Aan de hand daarvan wordt vervolgens met de RPT-machine een exacte freesmal geproduceerd voor het uitfrezen van het botimplantaat. Het grote voordeel is dat de chirurg tijdens de operatie niet meer hoeft te passen en te meten. Dankzij de freesmal die precies op maat is gemaakt voor het betreffende schouderblad kan hij een perfect passend implantaat van lichaamseigen botmateriaal verkrijgen, dat hij vervolgens op de gewenste plek elders in het lichaam kan aanbrengen.

Ook voor de plaatsing van het implantaat kunnen mallen of hulpmiddelen ‘op maat’ worden gerealiseerd. Mede dankzij de combinatie van CAD- en RPT-technieken kan de chirurg de voorbereidende werkzaamheden voor een belangrijk deel buiten de operatiekamer uitvoeren, wordt de operatietijd aanzienlijk verkort, wordt de kans op fouten gereduceerd en kostbare tijd in de operatiekamer bespaard.”

Met de huidige RPT-machine kunnen alleen harde kunststoffen worden verwerkt, maar in de toekomst zal deze technologie meer mogelijkheden bieden. Uiteindelijk wil IDEE ook gaan werken met zachte materialen, die qua kleur en structuur precies lijken op huid, bijvoorbeeld voor een oorprothese. Frans Smeets denkt daarnaast bijvoorbeeld aan zachte binnenbekleding voor helmpjes voor schedelcorrecties bij kinderen of op maat gemaakte braces, spalken en korsetten.

Op dit moment participeert IDEE samen met de chirurgen van de aangezichtschirurgie (academisch ziekenhuis Maastricht) in een tweetal EU-projecten (Custom Fit en Custom IMD) op het gebied van materialen, software en RTP-technieken die de komende jaren voor nieuwe ontwikkelingen kunnen gaan zorgen. Met de huidige nieuwe machine heeft IDEE alvast een opstapje genomen naar het tijdperk van het volledig ‘computerised’ produceren van 3D-modellen met harde kunststoffen. Het einde van de ontwikkelingen is nog lang niet in zicht en de verwachting is dat IDEE straks zal beschikken over meerdere machines voor de verschillende mogelijkheden. IDEE streeft daarom naar een goede samenwerking met onder andere DSM.

Geen beperkingen

Waarom Rapid Prototyping? Uit welke hoek kwam de vraag naar deze technologie? “Vooral de chirurgische groepen vroegen steeds vaker om modellen van schedels en dergelijke”, legt Smeets uit. “Een tweede doelgroep zijn de onderzoekers. Vroeger konden we bepaalde complexe 3D-vormen voor laboratorium- of onderzoeksonderdelen niet maken. Maar dankzij RPT zijn er eigenlijk geen beperkingen meer. Je kunt feitelijk alle 3D-vormen uit de computer realiseren. Met frezen of een andere CNC-verspaningstechniek heb je beperkingen, die de RTP-technologie niet heeft. Ook vanuit het anatomieonderwijs is er concrete belangstelling getoond. We kunnen immers met de RPT realistische modellen van lichaamsdelen of organen maken voor specifieke onderwijsprogramma’s. En een zeker niet onbelangrijke groep is het regionale bedrijfsleven. Daarvoor werken we hoofdzakelijk op het gebied van vormgeving. We maken bijvoorbeeld prototypes van een ergonomische muis, ontwikkeld door het Medisch Centrum van de Erasmus Universiteit. Verder voeren we opdrachten uit voor bedrijven als Cybermind, Pie Medical, Anatech, DADC (DSM) en Bakken Research.”

Door te investeren in relevante nieuwe technieken creëert IDEE nieuwe mogelijkheden voor wetenschappelijk en klinisch onderzoek en onderwijs. De afdeling werkt hiervoor nauw samen met enkele chirurgen uit het azM en de faculteit Biomedische Technologie van de Technische Universiteit Eindhoven en de Katholieke Universiteit Leuven. De verwachting is dat de RPT-technologie de komende jaren een platform zal zijn voor veel nieuwe ontwikkelingen. Smeets: “Technisch gezien is dit een geweldige ontwikkeling voor ons, ook in onze manier van denken. RPT opent een nieruwe wereld aan 3D-mogelijkheden. Een volledig andere gedachtegang.

Wij zien bijzonder veel mogelijkheden en velen met ons. Je moet bedenken dat wij dankzij de RPT op maat gemaakte oplossingen voor individuele personen in principe over de hele wereld kunnen gaan aanbieden.” Bij vertrek geeft hij een product uit de RPT mee: een klein open kistje waarin een balletje los ronddraait. Helemaal uit een stuk gemaakt in de RPT. Frans Smeets heeft gelijk. De mogelijkheden zijn onbeperkt.

Reageren via Facebook

Reacties

Over Femke Kools

Femke Kools heeft de opleiding journalistiek gevolgd en werkt nu bij de communicatie-afdeling van de Universiteit Maastricht. Daar schrijft ze onder andere verhalen voor het e-Research Magazine. Hiermee laat de Universiteit Maastricht zien wat ze op onderzoeksgebied doet rond de zes themas geld, samenleving, geest, cultuur, technologie en lichaam. Daarnaast heeft Femke haar eigen tekstbureau: FemKools