Als Mark Weimer nach seiner schweren Wirbelsäulenoperation aus dem Dämmerschlaf erwachte, verschwendete er keinen Gedanken daran, was er spürte. Er bemerkte vielmehr vor allem, was er nicht spürte: den Schmerz, der – vom Lendenwirbelbereich ausgehend – in die Oberschenkel ausgestrahlt und ihn anderthalb Jahre lang gequält hatte.

Die Linderung war das Ergebnis einer 15-stündigen Operation, die von Dr. George Frey durchgeführt wurde. Hierbei wurde sein renommiertes Verfahren zur Navigation von Pedikelschrauben mit 3D Bildgebungsverfahren und den Drucktechnologien von 3D Systems kombiniert.

Partnerschaft zum Wohle des Patienten

Dr. Frey und seine Frau Heidi sind auf dem Weg zu Mighty Oak Medical, einem Biotechunternehmen in Englewood, Colorado. Die hier entwickelte und patentierte FIREFLY®-Technologie erlaubt auf einfache und schnelle Weise die genaue Platzierung von Pedikelschrauben bei der Behandlung von Wirbelsäulenschäden. Die Schrauben werden dabei um sensible Bestandteile der menschlichen Anatomie – Rückenmark, Nerven und Adern – herumgeführt.

Schon ganz am Anfang hat Mighty Oak mit dem 3D Systems Healthcare Team im nahegelegenen Littleton eine Partnerschaft begründet.

„Wir brauchten einen Partner aus dem Bereich 3D Druck, der im Bereich Medizintechnik für Qualität, Zuverlässigkeit und Fachwissen bekannt war“, sagt Heidi Frey. „Dieser Partner war 3D Systems, und er hat auf ganzer Linie überzeugt – durch Unterstützung, schnelle Reaktionen und höchste Ansprüche an sich selbst.“

3D Systems bietet ein End-to-End-Portfolio mit Präzisionslösungen für das Gesundheitswesen. Hierzu gehören etwa VR-Simulatoren, 3D Druck anatomischer Modelle sowie patientenspezifische chirurgische Schablonen und Instrumente. Zudem fertigt das Unternehmen auch medizinische Präzisionsgeräte aus dem 3D Drucker.

Seit den späten 1990er-Jahren geht 3D Systems Partnerschaften mit Anbietern von Medizintechnik für die Behandlung von praktisch allen Bereichen der menschlichen Anatomie ein. Das Unternehmen hat dabei im Laufe der Zeit individuelle Lösungen für über 100.000 Operationen entwickelt.

3D printed spine reference model used in the surgery
A personalized anatomical model printed on a 3D Systems SLA (stereolithography) ProX 800 3D printer was used for reference during Mark Weimer's spinal operation.

Der lange Weg des Siegers

Der Kontakt zwischen Mark Weimer und Dr. Frey wurde von dem Neurochirurgen vermittelt, der Weimer seit seiner ersten Operation behandelt hatte. Diese war notwendig geworden, da Weimer seit einem Sturz von einem Baugerüst im Jahr 1984 teilweise gelähmt gewesen war. 2001 unterzog sich Weimer einer weiteren Wirbelsäulenoperation, um einen Rückgang seiner Muskelkraft im rechten Arm zu behandeln.

Nach den erlittenen Verletzungen und seiner ersten Operation machte Weimer eine Umschulung zum IT-Spezialisten für Data Warehousing. Er ging außerdem seiner Leidenschaft für das Eishockeyspiel weiter nach und wurde 1996 in ein Programm des US-Bundesstaates Colorado für Schlitteneishockey aufgenommen.

Im Jahre 2000 hatte Weimer mit dem amerikanischen Schlitteneishockeyteam in Lake Placid gespielt – an jenem sagenumwobenen Ort, wo 1980 das legendäre „Miracle on Ice“ stattgefunden hatte: der Sieg des US-Eishockeyteams über die vermeintlich unschlagbare Sowjetunion bei den Olympischen Winterspielen 1980. 2010 dann war er Spielführer der Mannschaft, die die von der amerikanisch-kanadischen Eishockeyliga NHL gesponserten Sledge Classic Championship gewann. Im Jahr darauf spielte er im Colorado Avalanche-Team, das bei der vom Eishockeyverband USA Hockey unterstützten National Sled Hockey Championship 2011 siegreich war.

Nach diesem Turnier, bei dem Weimer selbst ein Tor erzielte und einen Assist lieferte, beendete er 2011 seine Karriere. Er begann danach mit dem Training talentierter Nachwuchsspieler im Schlitteneishockey und hält sich außerdem mit seinem Handbike fit. Seine Leistungen im Eishockey wurden 2012 durch die Aufnahme in die Colorado Adaptive Sports Foundation Hall of Fame gewürdigt.

Mit seinem Team gewann Weimer mehrere Schlitteneishockey-Meisterschaften und wurde schließlich in die Hall of Fame der Colorado Adaptive Sports Foundation aufgenommen.
Mit seinem Team gewann Weimer mehrere Schlitteneishockey-Meisterschaften und wurde schließlich in die Hall of Fame der Colorado Adaptive Sports Foundation aufgenommen.

Ein komplizierter Fall

Seit seiner Verletzung hatte Weimer ständig mit Nerven- und Wirbelsäulenbeschwerden zu kämpfen gehabt, aber im Herbst 2014 kam noch ein weiteres Problem hinzu: starke Schmerzen in der Oberschenkelmuskulatur sowie Blasen- und Darmprobleme. Deswegen überwies ihn sein Neurochirurg zur eingehenden Untersuchung an Dr. Frey.

„Im Laufe der Jahre bewirkten die Wirbelblockierungen und sein neurologischer Zustand eine zunehmende Beeinträchtigung der Bandscheiben und Wirbel unterhalb der Blockade“, beschreibt Dr. Frey. „Hierdurch kam es zu einer weiteren Stauchung von Nerven und Rückenmark und damit zu starken neuropathischen Schmerzen.“

Am Anfang der Vorbereitungen für die Operation stand eine CT (Computertomografie) von Weimers Wirbelsäule. Deren Ergebnisse wurden dann an 3D Systems übermittelt, wo man mithilfe einer Datensegmentierung eine 3D Darstellung der Wirbelsäulenanatomie von Weimer erstellte.

Weimers Fall war nach Einschätzung von Dr. Frey und Chris Beaudreau, Director of Medical Services bei 3D Systems, erheblich komplizierter als gängige Wirbelsäuleneingriffe.

„Bei Mark hatte nach der ersten Operation ein Knochenwachstum über den damals eingesetzten Implantaten eingesetzt“, sagt Dr. Frey. „Zwar wurden die Schrauben entfernt, doch konnte jeder Bruch des umgebenden Knochens das Einsetzen der FIREFLY-Schablonen beeinträchtigen. Deswegen mussten umfangreiche Planungen vorgenommen werden, um einen Kontakt mit der Anatomie weitgehend auszuschließen.“

„Infolge der früheren Operationen traten bei der CT erhebliche Abbildungsartefakte auf. Wir mussten deswegen eine umfassende Bearbeitung der medizinischen Bilder vornehmen, um den anatomischen Zielbereich in digitale 3D Modelle umzusetzen“, ergänzt Beaudreau. „Und weil uns ein weitreichender spinaler Eingriff bevorstand, modellierten wir nicht nur zwei oder drei, sondern insgesamt neun Wirbel sowie das Kreuzbein am Ende der Wirbelsäule und beide Hüften.“

Vergleich der anatomischen Modelle
Die gerenderten Modelle zeigen personalisierte (also patientenspezifische) Schablonen für die Platzierung der Schrauben, die es dem Chirurgen gestatten, jeden Kontakt mit der komplexen und lebenswichtigen Wirbelsäulenanatomie zu vermeiden. Insgesamt wurden 10 Schablonen für Mark Weimers Operation gefertigt – jeweils eine für einen bestimmten Wirbelkörper. Wenn die Schablonen in Position sind, können alle Schrauben mit maximaler Genauigkeit platziert werden.

Das Bild links zeigt die Bohrschablonen am jeweiligen Zielort vor Anbringung der Metallteile. Auf der rechten Seite ist dagegen die postoperative Anordnung der Stahleinsätze an der Wirbelsäule zu sehen.

3D Druck von der Quelle

3D Systems ließ die 3D Modelle von Weimers Wirbelsäule dann Mighty Oak Medical zukommen. Dort entwarf man auf deren Grundlage die Trajektorie für jede einzelne Pedikelschraube und erstellte mit dem 3D Drucker die Bohrschablonen, die eine genaue Anordnung der Schrauben an Weimers Wirbelsäule gestatten würden.

Auf Grundlage des FIREFLY-Entwurfs druckte 3D Systems Bohrschablonen für Pedikelschrauben für jeden zu operierenden Wirbel. Außerdem erfolgte der Druck eines anatomischen Knochenmodels zur Operationsplanung und als Referenz im Operationssaal.

Die Bohrschablonen und Knochenmodelle wurden mit einem 3D Systems ProX® 800 gedruckt. Hierbei handelt es sich um ein Stereolithografiesystem (SLA), das für seine Fähigkeit bekannt ist, Werkstücke zu drucken, die sich durch herausragende Resultate bzgl. Oberflächenglätte, Merkmalsauflösung, Kantendefinition und Toleranzen auszeichnen.

Die SLA-Technologie wurde 1983 von 3D Systems-Mitbegründer Chuck Hull erfunden. Sein Unternehmen entwickelt auch heute noch innovative Technologien, die einerseits Kosten senken und andererseits in Sachen Geschwindigkeit, Kapazität, Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit immer besser werden.

Der ProX 800 unterstützt eine Vielzahl von Werkstoffen für unterschiedlichste Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten. Für das Referenzmodell von Weimers Anatomie und die Bohrschablonen verwendete 3D Systems einen Kunststoff und ein validiertes Verfahren, das eine Sterilisierung der Werkstücke für den direkten Einsatz im OP gestattet.
 

Operation erfolgreich, jetzt kommt die Reha

Dr. Frey operierte Mark Weimer am 22. Juli 2016 im Swedish Medical Center in Englewood. Als Weimer wieder bei Bewusstsein war, waren die zuletzt aufgetretenen Schmerzen verschwunden, und die älteren Schmerzen hatten sich deutlich verbessert.

„Mark unterzieht sich gegenwärtig einer anspruchsvollen Rehabilitationsmaßnahme und erholt sich gut von der Wirbelsäulenoperation“, sagt Dr. Frey, der für die vollständige Genesung eine Dauer von ca. einem Jahr prognostiziert.

Jetzt – im Alter von 63 Jahren – hat Weimer seine Tätigkeit in der IT wieder aufgenommen und fährt in seiner Freizeit Handbike. Er ist stolzer Großvater von zwei Enkeln (9 bzw. 13 Jahre alt), die die Familientradition erfolgreicher Eishockeyspieler fortsetzen.