Drucken eines genauen und langlebigen Phantoms zur Nachahmung menschlicher Organe

Hintergrund

Das Institute for Multiscale Simulation (MSS) wurde 2009 gegründet und trägt als Teil des Fachbereichs Chemie- und Bioingenieurwesen (CBI) der FAU zum Lehr- und Forschungsprogramm des Fachbereichs bei. Es ergänzt das CBI auf dem wichtigen Gebiet der multiskaligen numerischen Simulationstechniken – dem Hauptforschungsschwerpunkt des Instituts.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die experimentelle Erforschung der Dynamik von Granulaten. Die Lehrveranstaltung von Herrn Dr. Patric Müller werden jährlich von rund hundert Studierenden besucht, um unterschiedliche 3D-Druckverfahren kennenzulernen. Dieses Wissen wird in einem Praktikum praktisch gefestigt. Hier können Studierende ihre eigenen Ideen verwirklichen. Forschungsprojekte werden regelmäßig durch Drittmittel oder Kooperationen mit der Industrie oder der öffentlichen Hand finanziert. Das MSS hat auch Forschungskooperationen mit Partnern aus dem Bereich der medizinischen Bildgebung durchgeführt.

Einer der Forschungsschwerpunkte wurde auf Phantome gelegt, die das Aussehen des Gehirns eines typischen Patienten in bestimmten medizinischen Bildgebungsmodalitäten nachahmen, wie es im Folgenden beschrieben wurde.

Problemstellung

Die Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT) ist ein nuklearmedizinisches Bildgebungsverfahren, das die Verteilung einer zuvor verabreichten radioaktiven Substanz innerhalb eines Patienten misst.

Die Messung ist aufgrund physikalischer Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich der räumlichen Auflösung, unvollkommen. Viele Forschungsansätze zielen darauf ab, dies zu verbessern, letztendlich muss aber jede Methode validiert werden, was typischerweise mit Phantommessungen erreicht wird. Herkömmliche Phantome wiesen einfache Geometrien (z. B. Kugeln) auf und stellten daher nur eine eingeschränkte Repräsentation für eine Patientenaufnahme dar. Folglich wurden patientenähnliche Phantome entworfen, die das menschliche Gehirn darstellen. Die Geometrie des Phantoms wies allerdings viele Überhänge auf, die Stützstrukturen erforderten. Im ersten Ansatz wurde das Phantom auf Basis von Fused-Deposition-Modeling (FDM) mit dualer Extrusion gedruckt. Man stellte jedoch fest, dass die räumliche Auflösung des Drucks und die Zuverlässigkeit der Dual-Extrusion zu gering waren.

Lösung

Da das Institute of Multiscale Simulation frei im Raum drucken wollte, ohne Überhänge abstützen zu müssen, entschied man sich für das SLS-Verfahren. Nach einer Marktrecherche entschloss man sich für die Anschaffung eines Sinterit-Druckers. Mit Lisa PRO lassen sich genaue und langlebige Phantome drucken, die menschliche Organe nachahmen. Darüber hinaus war die hohe räumliche Auflösung für die filigranen Strukturen solcher Phantome gut geeignet.

Der SLS-Prozess verbesserte die Druckqualität und Zuverlässigkeit gegenüber der zuvor verwendeten FDM-Technologie und machte die Erstellung von hochdetaillierten Druckjobs möglich. Das Phantom des menschlichen Gehirns wurde in zwei Hälften gedruckt, damit das restliche Pulver leicht von den nicht sichtbaren Bereichen entfernt werden konnte. Danach klebte man die beiden Hälften zusammen.

Für die eigentlichen Messungen muss das Phantom mit einer radioaktiven Flüssigkeit gefüllt werden. Um die Befüllung zu ermöglichen, beschichtete man die Außenhülle mit einem Epoxidharz. Um das Überziehen der Ausdrucke mit Harz zu umgehen, beginnt Walter Pucheanu mit dem Drucken aus Polypropylen, einem Pulver, das keine Flüssigkeiten aufnimmt.

„Die Druckqualität des Lisa PRO ist beeindruckend.“

Die Website unseres Kunden besuchen:

www.mss.cbi.fau.de/en