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DfX
-
Symposium 2014
Entwicklung generativ gefertigter und indi-
vidualisierbarer Gefäßmodelle
Johanna Spallek
1
, Laurin Brehmer
2
, Andreas Frölich
2
, André
Kemmling
2
, Jens Fiehler
2
, Dieter Krause
1
1
Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik
Technische Universität Hamburg-Harburg
2
Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention
Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf
Abstract
Additive manufacturing allows new applications due to the layer-based
production without tools. Components with a high degree of individualization
or with complex geometry can be produced efficiently. The advantages can
be used in medical applications for the reproduction of patient data, e.g. for
intracranial aneurysms. The treatment of intracranial aneurysms requires
highly experienced medical staff and individual planning. Physical reproduc-
tions of the complex geometry of the vessels support the treatment of intra-
cranial aneurysms. In this paper a development of additive manufactured
vessel models is presented. Based on the patient geometry a model of the
aneurysm and the affected vessel is constructed. After the FDM-fabrication
and sealing, the model is applicable in medical research.
Keywords: Additive manufacturing, medical engineering, individualized
products, fused deposition modeling
2
1
Einleitung
Generative Fertigungsverfahren wurden in den letzten Jahren stark wei-
terentwickelt, sodass viele neue Einsatzgebiete erschlossen wurden. Aufgrund
der werkzeuglosen Fertigung bestehen Vorteile hinsichtlich der Geometriefrei-
heit und Automatisierung [1]. Erstgenannter Vorteil ermöglicht die Realisie-
rung von Bauteilen, die mit konventionellen Verfahren nur schwer zu fertigen
sind. Zusätzlich können Bauteile mit hohem Individualisierungsgrad mit ver-
tretbarem finanziellen und zeitlichen Aufwand hergestellt werden [2].
Die erhöhte Geometriefreiheit und die Fertigung individualisierbarer Pro-
dukte machen die generativen Fertigungsverfahren auch für medizinische
Anwendungen interessant, da medizintechnische Produkte durch generative
Fertigungsverfahren patientenspezifisch hergestellt werden können [3]. Der
vorliegende Beitrag stellt eine Anwendung generativer Fertigungsverfahren
zur Nachbildung medizinischer Gefäße vor. Hierfür wird der Produktentste-
hungsprozess von der medizinischen Bildaufnahme über die Fertigung bis hin
zur Anwendung beschrieben.
2
Grundlagen generativer Fertigungsverfahren
Mittels generativer Fertigungsverfahren werden Bauteile durch Hinzufügen
von Material oder durch einen Phasenübergang von Pulver bzw. flüssigem in
festes Material automatisiert hergestellt [4], wodurch eine werkzeuglose Fer-
tigung von Bauteilen unmittelbar aus den CAD-Daten eines Volumenkörpers
ermöglicht wird. Hierzu wird das Volumenmodell in übereinander liegende
Schichten gleicher Stärke eingeteilt. Diese werden in der generativen Ferti-
gungsanlage aufeinander geschichtet, sodass ein dreidimensionales Bauteil
entsteht. Abhängig vom Fertigungsverfahren ist ein Post-Processing notwen-
dig, um z.B. Stützkonstruktionen zu entfernen. Anschließend kann eine Nach-
behandlung des Bauteils, wie Schleifen oder Lackieren, die Anwendbarkeit
und Lebensdauer des Bauteils erhöhen. [5]
2.1
Einsatzmöglichkeiten generativer Fertigungsverfahren
Der schichtweise Aufbau von generativ gefertigten Bauteilen ermöglicht
im Vergleich zu konventionellen Verfahren erweiterte Einsatzgebiete. Vorteile
bieten die Verfahren laut Breuninger [2] in der Herstellung komplexer Geo-
metrien sowie der Funktionsintegration und der Individualisierung von Bautei-
len.
3
Generative Fertigungsverfahren bieten bei der Herstellung komplexer
Geometrien Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungstechnologien, da
sie sich bei kritischen Geometrien, wie Hinterschneidungen, Innenformen und
Freiformflächen, wegen des schichtweisen, werkzeuglosen Aufbaus anbie-
ten [6]. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der Grad der geometrischen Kom-
plexität fallabhängig, z.B. im Zusammenhang der jeweiligen Fertigungstech-
nologie, bewertet werden muss [7].
Aufgrund der Geometriefreiheit kann ein generativ gefertigtes Bauteil eine
hohe Anzahl verschiedener Funktionen abdecken. Diese Funktionsintegra-
tion ermöglicht eine Vereinfachung des Herstell- und Montageprozesses. So
können z.B. funktionstüchtige Federn oder Formschlussverbindungen in ei-
nem einzigen Bauteil realisiert werden. [2]
Für viele Unternehmen stellt das Anbieten individualisierter Produkte
eine hohe Herausforderung dar [8]. Die Umsetzung individualisierter Bauteile
wird durch generative Fertigungsverfahren ermöglicht. Auch eine aktive Mit-
gestaltung des Kunden wird dadurch stark vereinfacht [2].
2.2
Fused Deposition Modeling
Das in diesem Beitrag zugrunde liegende generative Fertigungsverfahren
ist das Fused Deposition Modeling-Verfahren (FDM), auch bekannt als Fused
Layer Modeling bzw. Manufacturing [4]. Beim FDM-Verfahren dient ein fester,
drahtförmiger Werkstoff als Ausgangsmaterial (siehe Bild 1).
Bild 1: Prinzip des FDM-Verfahrens
Stützmaterialvorrat
in Drahtform
Erstarrtes Bauteil
Stützkonstruktion
Bauplattform
Bau
materialvorrat
in Drahtform
Motor
Beheizte Düsen
Materialauftrag
4
Das schmelzbare Material, meist ein Thermoplast, wird knapp über den
Verflüssigungspunkt gebracht und linienweise durch eine Düse auf der Bau-
platte bzw. dem Bauteil aufgetragen. Die nebeneinander abkühlenden Materi-
alstränge führen zu einer dauerhaften Verbindung. Durch Absenken der Bau-
plattform entsteht aus den aufeinander gelegten Materialsträngen schrittwei-
se ein dreidimensionaler Körper. [9]
3
Ausgangssituation
Die hohe Geometriefreiheit generativer Verfahren ermöglicht die Ferti-
gung von Hohlräumen. Für medizintechnische Zwecke ist dies von großem
Nutzen, der den erwähnten Vorteil der Fertigung patientenspezifischer Pro-
dukte ergänzt [3]. Diese Vorteile finden beim Projekt ALSTER (Aneurysm Like
Synthetic bodies for Testing Endovascular devices in Reality [10]) Anwen-
dung, in dem in Kooperation mit dem Universitätsklinikum Hamburg- Eppen-
dorf individualisierte Nachbildungen von Blutgefäßen entwickelt werden.
3.1
Medizinische Grundlagen
Intrakranielle Aneurysmen sind krankhafte Aussackungen der Hirngefäße
und besitzen das Risiko zu platzen (siehe Bild 2) [11]. Diese Gefäßeinrisse
führen zu folgenschweren Blutungen, die nicht selten mit schwerer Behinde-
rung oder tödlich enden [12].
Bild 2: Links: Gesundes Blutgefäß. Mitte: Blutgefäß mit Aneurysma.
Rechts: Blutung eines Blutgefäßes aufgrund eines geplatzten Aneurysmas
Die Behandlung von Aneurysmen setzt eine hohe Erfahrung des medizini-
schen Personals sowie individuelle Planung voraus. Dabei kann eine exakte
dreidimensionale Nachbildung der Gefäße und des intrakraniellen Aneurysmas
sowohl für Messungen des Aneurysmadurchflusses, für Tests der Platzierung
von medizinischen Instrumenten wie auch zur individuellen Planung der Be-
5
handlung genutzt werden. Zudem ist an den Gefäßmodellen die Aus- und
Weiterbildung des medizinischen Personals möglich.
3.2
Anforderungen
Ziel des hier vorgestellten Forschungsprojekts ALSTER [10] ist die Pro-
zessentwicklung zur Herstellung patientenindividueller Gefäßmodelle, die mit
vertretbarem Aufwand hergestellt werden können. Die Modelle sollen das
patientenindividuelle intrakranielle Aneurysma mit den anliegenden Gefäßin-
nenräumen möglichst originalgetreu nachbilden.
Im Unterschied zu bisherigen medizintechnischen Anwendungen generati-
ver Fertigung [13] stellt die beschriebene Anwendung besondere Anforderun-
gen an die Genauigkeit des Hohlraums sowie dessen technische Oberflächen-
eigenschaft. Die Hohlraumstruktur des Modells soll der jeweiligen Gefäßgeo-
metrie entsprechen, wobei unterschiedliche Durchmesser, Lagen und Winkel
abgebildet werden müssen. Die Gefäßmodelle zur Durchflussmessung des
Aneurysmas müssen dichtend sein. Zur einfachen Positionskontrolle der Be-
handlungsinstrumente sollte das Bauteil transparent sein. Eine Nachgiebigkeit
der Gefäßwand ist ebenfalls wünschenswert, damit das physikalische Verhal-
ten der Gefäße beim Einsetzen der Instrumente simuliert werden kann. Zur
Therapieplanung und Schulung ist ein erweitertes Modell sinnvoll, welches
neben den anliegenden Gefäßen auch die gesamte Gefäßstrecke von der Leis-
tenarterie bis zum Aneurysma, durch die die medizinischen Instrumente ge-
führt werden, abbildet.
4
Entwicklung der Gefäßmodelle
Für die Entwicklung der Gefäßmodelle steht zunächst die entsprechende
Modellerstellung und Fertigung im Vordergrund. Anschließend wird der Her-
stellprozess zur Anpassung der Material- und Oberflächeneigenschaften ent-
wickelt.
4.1
Modellerstellung
Die dreidimensionalen Geometrien der Gefäße basieren auf realen Patien-
tendaten (siehe Bild 3). Diese individuellen Daten werden als Negativ-Modell
des Gefäßes in einem Volumenmodell aufgebaut. Die Ein- und Ausflüsse der
Gefäße werden mit standardisierten Anschlüssen gestaltet, um medizintechni-
sche Instrumente in das Modell einführen und es mit Flüssigkeiten, z.B. Kon-
trastmittel, füllen zu können. Das resultierende Volumenmodell ist in Bild 3
mit transparenter Außenwand dargestellt.
6
Bild 3: Links: Patientengeometriedaten. Rechts: CAD-Modell des Gefäßmodells
4.2
Fertigung
Zur Herstellung der Gefäßnachbildungen sind generative Fertigungsver-
fahren sehr gut geeignet (siehe Abschnitt 2.1). Für die Fertigung der Gefäß-
modelle kommen mehrere generative Fertigungsverfahren in Frage [9]. Ein-
schränkungen in der Wahl des Verfahrens entstehen insbesondere durch die
Anforderungen der Individualisierbarkeit der Hohlräume. Um die individuellen
Gefäßhohlräume unabhängig von der Aufbaurichtung der Modelle fehlerfrei
herzustellen, ist der Einsatz von Stützkonstruktionen hilfreich.
Für die Fertigung der Gefäßmodelle wird das FDM-Verfahren hinsichtlich
der Machbarkeit und dessen Einschränkungen untersucht. Aufgrund der Ver-
wendung von zwei Materialien – Bau- und Stützmaterial – ist das FDM-
Verfahren für die Herstellung von Hohlräumen gut geeignet. Die Gefäßmodel-
le werden mit dem HP Designjet Color 3D Printer aus dem Kunststoff ABS
(Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere), einem relativ schlagfesten Kunststoff
[9], mit einer Schichtdicke von 0,254 mm gefertigt. Im anschließenden Post-
Processing wird das Stützmaterial durch entsprechende Lösungsmittel ent-
fernt.
Unbehandelte FDM-Bauteile weisen eine unebene Oberfläche und poröses
Material auf (siehe Bild 4A). Insbesondere letzteres ist für die vorliegende
Anwendung nicht geeignet, sodass eine Nachbehandlung der Bauteile not-
wendig ist [14]. Zur Nachbehandlung von FDM-Bauteilen werden zwei Verfah-
ren für unterschiedliche Aneurysmageometrien angewendet und verglichen.
Das Bauteil wird bei der ersten Alternative mit Aceton bedampft. Aceton-
dampf greift das Material ABS an, woraufhin die Materialstränge an der Ober-
fläche verschmelzen. So können Flüssigkeiten nur noch bedingt eindringen.
10mm
Aneurysma
Gefäßhohlraum
Außenwand
Schlauch
an
schluss
7
Die unebene Oberfläche wird durch die Acetonbehandlung glatt und glänzend.
Kanten werden abgerundet (siehe Bild 4B).
Bei dem zweiten Nachbehandlungsverfahren wird das Gefäßmodell mit
flüssigem Imprägniermittel infiltriert, welches aufgrund der Kapillarwirkung in
die Poren eindringt und das Bauteil versiegelt. Die Geometrie des Bauteils
wird durch die Infiltrierung nur geringfügig verändert, durch schlechte Positi-
onierung während der Aushärtung können jedoch lokale Schwankungen der
aufgetragenen Menge des Imprägniermittels auftreten (siehe Bild 4C).
Bild 4: A: Unbehandeltes FDM-Bauteil (Schichtdicke 0,254mm).
B: FDM-Bauteil nach Acetonbedampfung.
C: FDM-Bauteil nach Infiltrierung mit Imprägniermittel
Messungen der Verfahren zeigen, dass beide Nachbehandlungen die Bau-
teile versiegeln und gut für die gewünschten Anwendungen geeignet sind. In
Bild 5 sind angiografische Aufnahmen der nachbehandelten Gefäßmodelle
dargestellt. Bei beiden Verfahren ist eine geringe Leckage der Flüssigkeit aus
dem Gefäßhohlraum in das Bauteil hinein erkennbar. Der Grad der Versiege-
lung der beiden Verfahren ist abhängig von den Gefäßgeometrien. Bei der
vorliegenden Geometrie liegt die Leckage im akzeptablen Bereich. Derzeit
wird das zu bevorzugende Verfahren systematisch anhand verschiedener
Aneurysmageometrien ermittelt. Relevant ist hierbei primär die Dichtheit der
Gefäßmodelle. Als sekundäres Kriterium wird die Geometriegenauigkeit des
Hohlraums ausgewertet.
1mm 1mm 1mm
A
B
C
Unebene Oberfläche,
Materialstränge
erkennbar
Glatte Kontur
Veränderte Kante
Anhäufung des
Imprägniermittels
Gleichbleibende Kante
Glänzende
Oberfläche
Oberfläche geringfügig
glatter als unbehandel-
tes Bauteil
8
Bild 5: Angiografische Auswertung der Nachbehandlung.
Links: Mit Aceton behandeltes Gefäßmodell.
Rechts: Mit Imprägniermittel infiltriertes Gefäßmodell
4.3
Aktuelles Vorgehen der Modellherstellung
Im Rahmen des Projekts ALSTER wird eine Prozesskette zur Entwicklung
und Herstellung von Gefäßmodellen erarbeitet (siehe Bild 6). Im ersten Schritt
werden reale Patientendaten durch bildgebende Verfahren aufgenommen.
Aus diesen werden die relevanten Gefäße segmentiert. Basierend auf diesen
Bilddaten wird ein individuelles Volumenmodell als Positivmodell oder Hohl-
raum erstellt. Dieses Modul wird mit Zusatzfunktionen, wie z.B. medizintech-
nischen Schlauchanschlüssen, ausgestattet. Das Modell wird in Schritt 4 in
einer generativen Fertigungsanlage gefertigt und zur Erfüllung der physikali-
schen Anforderungen nachbehandelt (siehe Abschnitt 4.2). Anschließend steht
das gefertigte Gefäßmodell zur Anwendung zur Verfügung.
Die im Projekt ALSTER hergestellten Gefäßmodelle erfüllen die gestellten
Anforderungen der Dichtheit und der Geometriegenauigkeit. Die Funktionsin-
tegration der standardisierten Schnittstellen in Schritt 3 stellt die Vorausset-
zung des Zusammenwirkens verschiedener Module dar [15] und ermöglicht
für alle individuellen Gefäßgeometrien eine einheitliche Gesamtanwendung.
So können die entwickelten Gefäßmodelle in einem standardisierten Modell
der gesamten menschlichen Gefäße integriert werden. Die Platzierung und
Entfaltung der Instrumente zur Behandlung individueller Aneurysmen kann
somit von der Leiste an simuliert werden.
Leckage
Leckage
9
In Abhängigkeit der gewünschten Anwendung (siehe Bild 7) sind die Al-
ternativen der einzelnen Schritte im Produktentstehungsprozess unterschied-
lich zu kombinieren. Die Bauteile sind durchscheinend, wodurch die Positio-
nierung medizintechnischer Instrumente ohne technische Hilfsmittel visuell
überprüfbar ist. Zur Erhöhung der Transparenz ist die Nachbearbeitung mit-
tels Acetondampf zum Glätten der Oberfläche zu bevorzugen. Bei Anschluss
einer Pumpe ist der Durchfluss durch das individuelle Aneurysma messbar
und mit numerischen Simulationen vergleichbar. Hierbei steht beim Finishing
die Dichtheit der Bauteile im Vordergrund. Durch Wahl eines elastischen Ma-
terials bei der Fertigung kann das Verhalten der Gefäßwand beim Einsetzen
der Instrumente simuliert werden. Bei der Modellerstellung in Schritt 2 be-
steht zudem die Möglichkeit die Gefäße als Positivmodell zu erzeugen, sodass
Anwendung
6
Individuelle Patientendaten
Datenaufnahme
1
Geometrie- Schnitt-
elemente stellen
Integration von
Zusatzfunktionen
3
Positiv Hohlraum
Modellerstellung
2
Werkstoffeigenschaften: Opak,
Transparent, Elastisch
Generative
Fertigung
4
Glätten der Abdichten
Oberfläche des Bauteils
Finishing
5
Bild
6
: Übersicht des Produktentstehungsprozesses von Gefäßmodellen
intrakranieller Aneurysmen
10
nach Hinzufügen der Zusatzfunktionen ein dreidimensionales Anschauungs-
modell der Gefäßgeometrie gefertigt werden kann. Dieses kann bei der The-
rapieplanung oder zu Schulungszwecken eingesetzt werden.
Bild 7: Anwendungsfelder der Gefäßmodelle
5
Zusammenfassung und Ausblick
Generative Fertigungsverfahren ermöglichen die Realisierung individuali-
sierbarer Produkte komplexer Geometrien. Im Beitrag wird die Herstellung
generativ gefertigter Gefäßmodelle im Projekt ALSTER vorgestellt. Die auf
realen Patientendaten basierenden Gefäßgeometrien werden bei der Mo-
dellerstellung aufgearbeitet und anschließend als maßstabsgetreue Gefäß-
nachbildung gefertigt. Die Gefäßmodelle werden aktuell mittels des FDM-
Verfahren und hier aufgeführter Nachbehandlungsmethoden hergestellt und
können anschließend in der Forschung zu intrakraniellen Aneurysmen einge-
setzt werden.
Mit den Gefäßmodellen intrakranieller Aneurysmen wurde ein Beispiel in-
dividualisierbarer Produkte im Bereich der Medizintechnik vorgestellt. Auch in
anderen Branchen stellt die Entwicklung individualisierbarer Produkte eine
Herausforderung vieler Unternehmen dar. Aufgrund der automatisierten,
werkzeuglosen Fertigung bieten generative Fertigungsverfahren hierfür ein
vielversprechendes Lösungspotential. Zukünftig sollen aktuelle Vorgehens-
weisen zur Entwicklung generativ gefertigter, individualisierter Produkte hin-
Visuelle Überprüfung der Instrumentenposi-
tionierung und Funktionsprüfung bei Ent-
wicklung neuer Instrumente
Anschauungsmodell der Gefäßgeometrie für
Lehre und Therapieplanung
Platzierung und Entfaltung von Instrumenten
im vaskulären Simulationsmodell, anwendbar
in Lehre und Therapieplanung
[16]
Optimierung der Simulation des Aneurysma-
durchflusses für individuelle Geometrien
Katheter
11
sichtlich des bestehenden Forschungsbedarfs und der erarbeiteten Erkennt-
nisse analysiert und erweitert werden.
Danksagung
Die Autoren danken dem Forschungszentrum Medizintechnik Hamburg
(fmthh) ausdrücklich für die Förderung des Forschungsprojekts „ALSTER -
Aneurysm Like Synthetic bodies for Testing Endovascular devices in Reality“.
Literatur
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sprüche; Anforderungen, Anwendungen, Ausblicke; Augsburg, 07. Juli
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12
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Rapid Tooling - Rapid Manufacturing", Carl Hanser Verlag, München,
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[11] Rinkel, G. et al.: "Prevalence and risk of rupture of intracranial aneu-
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[12] Wanke, I.: "Intrakranielle Aneurysmen: Entstehung, Rupturrisiko, Be-
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strahlen und der Nuklearmedizin, 2003, 175(8): 1064-1070.
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TuTech Verlag, Hamburg, 2011.
[16] Vascular Simulations, "Vascular Simulations Replicator", unter:
http://www.vascularsimulations.com, Stand: 1.8.2014.
