Ver­sor­gung mit Kopf­schutz­hel­men im 3D-Druck nach Kra­ni­ek­to­mie — Ver­gleich zwi­schen kon­ven­tio­nel­ler und digi­ta­ler Fertigung

A. Flamm
Wird durch raumfordernde Prozesse innerhalb des Schädels die Eröffnung der Schädelkalotte, eine sogenannte Kraniektomie, notwendig, so bedürfen die dadurch unbedeckt liegenden Strukturen des Gehirns eines externen Schutzes. Zur Herstellung geeigneter Schutzhelme stehen verschiedene Prozesse zur Verfügung, die im Artikel miteinander verglichen werden; dabei wird insbesondere auf die Vorteile der digitalen Modellerstellung in Verbindung mit einer additiven Fertigung (3D-Druck) eingegangen. Versorgungen mit Kopfschutzhelmen übernehmen zumeist die den Unfallkliniken angegliederten orthopädischen Werkstätten.

Ein­lei­tung

Aku­te Hirn­schä­den durch ein Schä­del-Hirn-Trau­ma nach äuße­rer Gewalt­ein­wir­kung oder durch einen Schlag­an­fall sowie ande­re raum­for­dern­de Pro­zes­se inner­halb der Schä­del-kalot­te (z. B. bei Hirn­blu­tung, Tumo­ren oder Ent­zün­dun­gen des Gehirns) kön­nen intra­kra­ni­elle Druck­erhö­hun­gen ver­ur­sa­chen. Durch eine ver­mehr­te Was­ser­ein­la­ge­rung im Ner­ven- gewe­be kommt es zu einem Hirn­ödem (Hirn­schwel­lung). Auf­grund der fes­ten Schä­del­ka­lot­te kann kein Druck­aus­gleich erfol­gen; dadurch steigt der intra­kra­ni­elle Druck, der wie­der­um nega­ti­ve Fol­gen für die Blut­ver­sor­gung des Gehirns und für die Liquor­zir­ku­la­ti­on hat. Dies führt zu einer wei­te­ren Schwel­lung. Der rasche Anstieg des intra­kra­ni­el­len Drucks („Hirn­druck“) kann zu lebens­be­droh­li­chen Zustän­den führen.

Wenn der Druck mit­tels kon­ser­va­ti­ver (nicht­ope­ra­ti­ver) Maß­nah­men nicht aus­rei­chend gesenkt wer­den kann, wird zumeist als letz­tes Mit­tel eine ope­ra­ti­ve Dekom­pres­si­on des Gehirns durch eine Kra­ni­ek­to­mie (par­ti­el­le Eröff­nung der Schä­del­ka­lot­te) durch­ge­führt 1. Die Not­wen­dig­keit der Eröff­nung wird dabei fall­ab­hän­gig vom Fach­arzt ent­schie­den 2. Ein adäqua­ter Schutz des offe­nen Gehirns nach der Ope­ra­ti­on ist durch des­sen extre­me Druck­emp­find­lich­keit gepaart mit Gefühl­lo­sig­keit (es besitzt kei­ne Schmerz­re­zep­to­ren) außer­or­dent­lich wich­tig. Letz­te­re bewirkt, dass der Pati­ent eine mög­li­cher­wei­se ent­ste­hen­de Schä­di­gung ohne Schutz gar nicht wahr­nimmt. Durch das Tra­gen eines Schutz­helms wird ein etwai­ger Druck von außen auf das Gehirn aus­ge­schlos­sen. Der Pro­zess der Abschwel­lung nach der Ope­ra­ti­on dau­ert unter­schied­lich lan­ge (von eini­gen Wochen bis zu vie­len Mona­ten). Früh­re­ha­bi­li­ta­ti­ve Maß­nah­men wer­den aber in die­sem Zeit­raum in der Regel bereits durch­ge­führt, sodass in die­ser Zeit ein adäqua­ter Schutz beson­ders not­wen­dig ist.

Anfor­de­run­gen an die Ver­sor­gung einer Kraniektomie

Nach einer ope­ra­ti­ven Dekom­pres­si­on fehlt im Bereich des Are­als der Kra­ni­ek­to­mie die schüt­zen­de Funk­ti­on der Schä­del­ka­lot­te für die emp­find­li­chen Struk­tu­ren des Gehirns; die frei­lie­gen­den Hirn­area­le sind nur von der Kopf­haut bedeckt. Dies stellt eine beson­de­re Gefähr­dung der Pati­en­ten ins­be­son­de­re im Rah­men früh­re­ha­bi­li­ta­ti­ver Maß­nah­men dar. Unfäl­le durch stump­fe oder spit­ze Gewalt­ein­wir­kung auf das Gehirn müs­sen zwin­gend ver­mie­den wer­den. Schon das Schla­fen mit dau­er­haf­tem Lie­gen erhört den Druck und kann zu einer Schä­di­gung des offe­nen Gehirns führen.

Der Schutz der vul­nerablen Hirn­area­le ist bei der Reha­bi­li­ta­ti­on von höchs­ter Prio­ri­tät und erfor­dert die Ver­wen­dung eines Kopf­schutz­helms. Dabei muss ein sol­cher Helm kri­ti­sche Weich­teil­ver­hält­nis­se berück­sich­ti­gen, Volu­men­schwan­kun­gen erlau­ben und einen hohen Tra­ge­kom­fort für den Pati­en­ten bie­ten. Zur Wund­ver­sor­gung muss eine ein­fa­che Rei­ni­gung und Des­in­fi­zier­bar­keit gewähr­leis­tet sein.

Nach Abschwel­lung wer­den die Kno­chen­lü­cken in der Schä­del­de­cke in der Regel durch die Replan­ta­ti­on des ent­nom­me­nen Kno­chens plas­tisch gedeckt 3. Ist dies nicht mög­lich (z. B. bei Infek­ten), erfolgt die plas­ti­sche Deckung durch pati­en­ten­in­di­vi­du­ell ange­fer­tig­te Implan­ta­te, die heu­te bereits zum Teil im 3D-Druck­ver­fah­ren gefer­tigt wer­den. Nach der plas­ti­schen Deckung sind der Schutz des Implan­tats bis zur knö­cher­nen Kon­so­li­die­rung und der Schutz der Weich­tei­le vor Ver­let­zun­gen ins­be­son­de­re bei mobi­len Pati­en­ten wei­ter­hin erforderlich.

Ver­gleich der Fer­ti­gungs­ver­fah­ren für Kopfschutzhelme

Für die Anfer­ti­gung von Kopf­schutz­hel­men nach Kra­ni­ek­to­mie haben sich drei ver­schie­de­ne Ver­fah­ren am Markt eta­bliert: — Bei der kon­ven­tio­nel­len, hand­werk­li­chen Fer­ti­gung wird das Kopf­mo­dell nach einem Gips­ab­druck erstellt und dar­über ein ther­mo­plas­ti­sches Mate­ri­al tiefgezogen.

  • Die zwei­te Mög­lich­keit besteht dar­in, anstel­le des Gips­ab­drucks einen berüh­rungs­lo­sen Scan des Schä­dels durch­zu­füh­ren, die Daten am Bild­schirm zu bear­bei­ten und danach ein gefräs­tes Kopf­mo­dell zu erstel­len, über das dann wie­der­um ther­mo­plas­ti­sches Mate­ri­al gezo­gen wird.
  • Als drit­te Vari­an­te steht die kom­plett digi­ta­li­sier­te Fer­ti­gung zur Ver­fü­gung. Nach Scan und Bild­schirm­mo­del­lie­rung wird der Helm dabei mit­tels addi­ti­ver Fer­ti­gung erstellt.

Die­se drei Ver­fah­ren wer­den im Fol­gen­den detail­lier­ter beschrie­ben und ins­be­son­de­re unter dem Aspekt der Belas­tung für den Pati­en­ten mit­ein­an­der verglichen.

Anfer­ti­gung eines Helms in Tief­zieh­tech­nik nach pati­en­ten­in­di­vi­du­el­lem Gipsabdruck

Nach der Ope­ra­ti­on rich­ten zwei Ortho­pä­die­tech­ni­ker den Pati­en­ten im Bett auf. Das unge­schütz­te Kra­ni­ek­to­mie-Are­al und die Wun­den müs­sen mit Foli­en abge­deckt wer­den. Anschlie­ßend wird ein Gips­ab­druck des Schä­dels erstellt. Die­ser muss sodann vor­sich­tig abge­zo­gen wer­den (Abb. 1a u. 1b). Das Ver­fah­ren weist aller­dings meh­re­re Risi­ken auf:

  • mög­li­cher Kei­m­ein­trag (durch Was­ser oder Gips) bei unge­nü­gen­der Wundkonsolidierung;
  • Auf­wei­chen der Wun­de durch Flüs­sig­keit in den Gipsbinden;
  • psy­chi­sche Belas­tung für den Pati­en­ten, weil sich die­ser zu die­sem Zeit­punkt meist in einem „Däm­mer­zu­stand“ befin­det und nicht beur­tei­len kann, was gera­de passiert.

Nach­dem das Gips­ne­ga­tiv des Kop­fes abge­nom­men wur­de, wird es mit Gips aus­ge­gos­sen und här­tet anschlie­ßend aus. Über das so erstell­te Gips­po­si­tiv wird nun – unter Ver­wen­dung ther­mo­plas­tisch ver­form­ba­rer Kunst­stof­fe  – in Hand­ar­beit ein Helm mit innen­lie­gen­der Pols­te­rung erstellt. Um das Kli­ma bzw. die Belüf­tung im Helm für den Pati­en­ten opti­mal zu hal­ten, wer­den im Nach­gang Löcher in den Helm gebohrt. Durch am Helm ange­nie­te­te Gur­te wird das Hilfs­mit­tel nun zusätz­lich für den Pati­en­ten individualisiert.

Helm auf Scan­da­ten­ba­sis mit nach­ge­la­ger­tem Frä­sen eines Kopf­mo­dells für Tiefziehverfahren

Anders als in Vari­an­te 1 wer­den bei die­sem Ver­fah­ren nach der Ope­ra­ti­on nur ein Ortho­pä­die­tech­ni­ker sowie eine Sta­ti­ons­pfle­ge­kraft benö­tigt, die den Pati­en­ten im Bett auf­rich­ten. Im Gegen­satz zu Vari­an­te 1 wird kei­ne wei­te­re ortho­pä­die­tech­nisch aus­ge­bil­de­te Fach­kraft benö­tigt, weil ein Umgang mit Flüs­sig­kei­ten, Gips und wei­te­ren Mate­ria­li­en, die in Ver­si­on 1 ver­wen­det wer­den, hier nicht gefor­dert ist. Beim Scan­nen benö­tigt man jedoch den Hel­fer, um even­tu­ell den Kopf des Pati­en­ten von unten etwas zu stüt­zen bzw. um auf frei­en Kabel­ver­lauf des Scan­ners zu ach­ten. Der Kopf des Pati­en­ten kann, falls noch Haa­re vor­han­den sind, mit einem leich­ten Tri­kot­schlauch­ver­band abge­deckt wer­den. Dies bewirkt das Nie­der­drü­cken der Haa­re und lässt zu, dass die Kopf­form – ohne Haa­re – digi­tal erfasst wer­den kann. Im Anschluss wird der Pati­ent berüh­rungs­los gescannt. Dabei wird emp­foh­len, sei­ne Augen zum Schutz vor dem Blitz­licht des Scan­ners abzu­de­cken (das Blitz­licht kann einen epi­lep­ti­schen Anfall aus­lö­sen). Der Pati­ent spürt von die­sen berüh­rungs­lo­sen Pro­zes­sen nichts. Im Rah­men der prä­ope­ra­ti­ven Pla­nung wer­den die Pati­en­ten dar­über infor­miert, wie ihre Daten ermit­telt wur­den und wie mit die­sen umge­gan­gen wird. Vor­tei­le des Verfahrens:

  • Auf­nah­me des gesam­ten Kop­fes ein­schließ­lich der Ohren;
  • gerin­ge psy­chi­sche Belas­tung für den Patienten;
  • kei­ne Gefahr der Ver­un­rei­ni­gung der Wunde.

Die Scan­da­tei des Kop­fes wird sodann an einen Fach­be­trieb über­mit­telt. Um Daten­schutz zu gewähr­leis­ten, wird das Gesicht des Pati­en­ten dazu vor­ab unkennt­lich gemacht. Im Fach­be­trieb wird ein 1:1‑Abbild des Pati­en­ten­kop­fes erstellt. Ein Fräs­ro­bo­ter fräst sodann aus einem Hart­schaum­roh­ling eine Vor­la­ge für das Tief­zie­hen eines Helms. Die­ser wird dann ähn­lich wie bei Ver­si­on 1 vom Ortho­pä­die­tech­ni­ker finalisiert.

Helm auf Scan­da­ten­ba­sis mit nach­ge­la­ger­ter CAD-Kon­struk­ti­on und 3D-Druck

Wie bei Vari­an­te 2 rich­ten ein Ortho­pä­die­tech­ni­ker sowie eine Sta­ti­ons­pfle­ge­kraft den Pati­en­ten im Bett auf. Auch hier kann der Kopf des Pati­en­ten, falls noch Haa­re vor­han­den sind, mit einem leich­ten Tri­kot­schlauch­ver­band abge­deckt wer­den. Dies bewirkt das Nie­der­drü­cken der Haa­re und lässt zu, dass der Schnitt­kan­ten­ver­lauf für die spä­te­re Kon­struk­ti­on mit­tels klei­ner Punk­te auf dem Ver­band gekenn­zeich­net wer­den kann. Die­ses Kenn­zeich­nen kann in Ver­si­on 2 eben­falls ange­wen­det wer­den, wobei aber die Infor­ma­tio­nen im Fräs­pro­zess ver­lo­ren­ge­hen, wenn die Infor­ma­ti­on in der Bild­schirm­be­ar­bei­tung nicht berück­sich­tigt wur­de. Im Lau­fe der 3D-Kon­struk­ti­on des druck­ba­ren Helms wird die Infor­ma­ti­on jedoch wäh­rend der Helment­ste­hung kom­plett ver­ar­bei­tet. Nur hier­bei ent­steht ein End­pro­dukt, bei dem freie Hirn­par­ti­tio­nen kom­plett „über­dacht“ erstellt wer­den. Im Anschluss wird eben­so wie bei Vari­an­te 2 der Pati­ent berüh­rungs­los gescannt. Das Abde­cken der Augen des Pati­en­ten zum Schutz vor dem Blitz­licht des Scan­ners soll­te dabei eben­falls Stan­dard sein. Vor­tei­le des Verfahrens:

  • Auf­nah­me des gesam­ten Kop­fes ein­schließ­lich der Ohren;
  • kom­plet­ter Über­trag der Mar­kie­run­gen des Schnitt­ver­laufs durch alle Pha­sen der Helmentstehung;
  • gerin­ge Belas­tung für den Patienten;
  • kei­ne Gefahr einer Ver­un­rei­ni­gung der Wunde;
  • der Scan ist nach erfolg­ter prä­ope­ra­ti­ver Pla­nung bereits vor dem Ein­griff möglich.

Der Scan durch den Ortho­pä­die­tech­ni­ker wird, wenn sei­ne Werk­statt über kei­ne eige­ne Fach­ab­tei­lung zur digi­ta­len Fer­ti­gung ver­fügt, zu einer spe­zia­li­sier­ten Fach­ab­tei­lung für CAD-Kon­struk­ti­on gesen­det. Mit Hil­fe spe­zi­el­ler Soft­ware, die ein Model­lie­ren von Frei­form­flä­chen ermög­licht, wird ein digi­ta­les, mehr­schich­ti­ges Helm­kon­strukt erstellt (Abb. 2a u. 2b). Ein wich­ti­ger Vor­teil des digi­ta­len Model­lie­rens: Ein „Rück­blick“ auf das Ursprungs­mo­dell ist jeder­zeit mög­lich. Auf die­se Wei­se kann man den jeweils erziel­ten Model­lie­rungs­fort­schritt beur­tei­len. Durch die Vor­ab­kenn­zeich­nung zeigt der Scan eben­so wie beim Gips­ab­druck dem Kon­struk­teur auf, wo die Hirn­scha­le endet und wo sich die zu schüt­zen­den Berei­che befinden.

Der Helm wird so kon­stru­iert, dass er sich spä­ter unter Zuhil­fe­nah­me sehr dün­ner Auf­la­ge­pads wie eine zwei­te Haut an den Kopf schmiegt. Die­se Pads sind aus­tausch­bar und bie­ten ins­be­son­de­re bei keim­be­las­te­ten Wun­den gegen­über den Vari­an­ten 1 und 2 eine bes­se­re Hygie­ne. Selbst schwie­rigs­te Schnitt­ver­läu­fe an der Schä­del­de­cke stel­len kei­ner­lei Pro­ble­me bei der Erstel­lung des digi­ta­len Helm­kon­strukts dar (Abb. 3).

Sobald der Helm am Bild­schirm fer­tig kon­stru­iert ist, sen­det der Kon­struk­teur – wenn er nicht selbst Mit­ar­bei­ter der beauf­trag­ten ortho­pä­die­tech­ni­schen Werk­statt ist – eine fina­le CAD-Ansicht des Helms an den Ortho­pä­die­tech­ni­ker, der den Pati­en­ten­scan durch­ge­führt hat. Das dient der Kontrolle.

Nach Frei­ga­be der digi­ta­len CAD-Kon­struk­ti­on durch den Auf­trag­ge­ber – in die­sem Fall also den Ortho­pä­die­tech­ni­ker – wird der Helm im soge­nann­ten Pul­ver­bett­ver­fah­ren mit­tels 3D-Dru­cker gedruckt. Homo­ge­ne Kraft­ver­läu­fe im Druck­gut gepaart mit flä­chi­ger Ver­schmel­zung sor­gen dabei für sta­bi­le hoch­per­fo­rier­te Struk­tu­ren; dies ist ins­be­son­de­re unter hygie­ni­schen Aspek­ten wich­tig (Abb. 4).

Mit­tels eines sol­chen Druck­ver­fah­rens ent­steht ein hoch­in­di­vi­dua­li­sier­ter, bio­kom­pa­ti­bler Helm, der in jedem han­dels­üb­li­chen Geschirr­spü­ler gerei­nigt wer­den kann. Im Kli­nik­be­trieb hält das Mate­ri­al den dort ver­wen­de­ten Des­in­fek­ti­ons­mit­teln leicht stand. Das Anle­gen des Helms ist sowohl für den Pati­en­ten als auch für die Pfle­ger ein­fach durch­zu­füh­ren. Beim 3D-Druck des Helms wer­den Ein­schub­öff­nun­gen für han­dels­üb­li­che Kinn­rie­men­sys­te­me aus­ge­spart; der gewähl­te Kinn­rie­men kann also ein­fach ein­ge­hakt wer­den (Abb. 5).

Ein mit­tels die­ses Ver­fah­rens gedruck­ter Helm ist mehr­schich­tig und extrem leicht. Durch das ver­ar­bei­te­te Mate­ri­al ist ein ange­neh­mes Kli­ma bzw. eine Belüf­tung unter dem Helm für den Pati­en­ten gewähr­leis­tet. Ein sol­cher Helm ist zwar stoß­ab­sor­bie­rend, er kann aber nicht als Schutz­helm im Sin­ne eines Auf­prall­schut­zes – etwa bei Epi­lep­sie – fungieren.

Fazit

Wie gezeigt wur­de, weist der Ein­satz digi­ta­ler Tech­nik bei der Her­stel­lung von Kopf­schutz­hel­men nach Kra­ni­ek­to­mie vie­le Vor­tei­le auf. Die berüh­rungs­lo­sen Scans sind ins­be­son­de­re für die Psy­che des Pati­en­ten vor­teil­haft. Dar­über hin­aus spre­chen die Pass­ge­nau­ig­keit und die Schnel­lig­keit bei der Fer­ti­gung der gedruck­ten Hel­me für eine digi­ta­le Herstellung.

Im Unter­neh­men des Autors wur­den in enger Zusam­men­ar­beit mit den ver­sor­gen­den Ortho­pä­die­tech­ni­kern bis­lang fast 100 Kopf­schutz­hel­me in digi­ta­ler Tech­nik gefer­tigt, bei denen es bis­lang kei­ne Rekla­ma­tio­nen gab.

Inwie­weit es sich für ortho­pä­die­tech­ni­sche Werk­stät­ten lohnt, in spe­zia­li­sier­te Mit­ar­bei­ter, ent­spre­chen­de Soft­ware und kost­spie­li­ge 3D-Dru­cker zu inves­tie­ren oder die Umset­zung sol­cher Ver­sor­gun­gen in die Hän­de exter­ner Fach­be­trie­be zu legen, obliegt dabei der Kal­ku­la­ti­on des jewei­li­gen Unter­neh­mens; auf die Über­le­gen­heit, die die digi­ta­le Fer­ti­gung aus Sicht des Autors in die­sem spe­zi­el­len Ver­sor­gungs­be­reich gegen­über der hand­werk­li­chen Fer­ti­gung auf­weist, hat dies kei­nen Ein­fluss. Anhand von Pati­en­ten­be­fra­gun­gen sowie ent­spre­chen­der Stu­di­en müs­sen die in der Pra­xis bereits erprob­ten Vor­tei­le digi­tal gefer­tig­ter Kopf­schutz­hel­me zwar noch belegt wer­den, aber das beschrie­be­ne digi­ta­le Ver­fah­ren scheint gera­de bei die­sem spe­zi­el­len Hilfs­mit­tel zukunfts­wei­send zu sein.

Der Autor:
Andre­as Flamm
Geschäfts­füh­rer
OT4 Ortho­pä­die­tech­nik GmbH
St.-Martin-Straße 2
81541 Mün­chen
a.flamm@ot4-orthopaedietechnik.com

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Flamm A. Ver­sor­gung mit Kopf­schutz­hel­men im 3D-Druck nach Kra­ni­ek­to­mie. Ortho­pä­die Tech­nik, 2020; 71 (2): 30–33

 

 

  1. Deut­sche Gesell­schaft für Neu­ro­lo­gie (DGN) (Hrsg.). S1-Leit­li­nie „Intra­kra­ni­el­ler Druck“ (ICP) (AWMF-Leit­li­ni­en­re­gis­ter Nr. 030–105). Stand: 30.09.2017, gül­tig bis 31.12.2020. https://www.awmf.org/uploads/tx_szleitlinien/030–105l_S1_Intrakranieller-Druck-ICP_2018-04_01.pdf (Zugriff am 17.12.2019)
  2. Kret­schmer T. Aktu­el­ler Stand der Kra­ni­ek­to­mie nach Schlag­an­fall. https://oegpb.at/2018/04/04/aktueller-stand-der-kraniektomie-nach-schlaganfall/ (Zugriff am 17.12.2019)
  3. Stos­berg P. Kra­nio­plas­tie und Kom­pli­ka­tio­nen nach dekom­pres­si­ver Kra­ni­ek­to­mie. Dis­ser­ta­ti­on, Medi­zi­ni­sche Fakul­tät Cha­ri­té – Uni­ver­si­täts­me­di­zin Ber­lin, 2019. https://refubium.fu-berlin.de/bitstream/handle/fub188/25463/diss_p.stosberg.pdf?sequence=1&isAllowed=y (Zugriff am 17.12.2019)
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