Augenprothese aus dem 3D-Drucker

Von kleinsten Sensoren bis zu riesigen Gebäuden – der 3D-Druck hält in vielen Branchen Einzug, auch in die Medizin. Für den Druck von Augenprothesen haben Forschende im Eurostars-Projekt „Click2Print Artificial Eyes“ eine Software entwickelt.

Der Glasmacher Ludwig Müller-Uri entdeckte im Jahr 1935 in der thüringischen Stadt Lauscha das Kryolithglas. Damit revolutionierte er die Herstellung von Kunstaugen. Heute, 90 Jahre später, steht der nächste große Schritt in der Augenprothetik bevor. In dem Eurostars-Projekt „Click2Print Artificial Eyes“ (C2PAE) hat ein deutsch-britisches Team einen neuen, komplett digitalen Weg für die Herstellung von Augenprothesen eingeschlagen. Das Bundesforschungsministerium hat die deutschen Projektpartnerinnen und -partner gefördert.

Die Software „übersetzt“ Aufnahmen in eine digitale Prothese

Die Forschenden von C2PAE verbinden den 3D-Druck mit dem digitalisierten Krankenhaus. Das Herzstück des Ganzen ist das Programm „Cuttlefish:Eye“. „Mithilfe von optischen Bilddaten, die wir mit einem OCT-Gerät beim Patienten oder bei der Patientin aufnehmen, können wir Augenprothesen nun digital erstellen und anschließend mit einem Vollfarb-3D-Drucker fertigen“, erklärt der Informatiker Johann Reinhard. Er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich 3D-Druck beim Fraunhofer Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD, das am C2PAE-Projekt beteiligt war.

OCT steht für „optische Kohärenztomografie“ und ist ein bildgebendes Verfahren, das auf nicht ionisierender Strahlung basiert und eine Art Tiefenbild vom Gewebe erzeugt. Aus diesen Bildern gewinnt man Informationen über das benötigte Volumen, die Größe und die Form der Augenprothese, ohne dass der Mensch einer Strahlungsbelastung ausgesetzt ist. „Die üblichen OCT-Geräte haben allerdings keine Farbkamera“, ergänzt Prof. Philipp Urban, der das Kompetenzzentrum für 3D-Druck-Technologie beim Fraunhofer IGD leitet. Für die Herstellung der 3D-Kunstaugen wurden die Geräte mit Kameras und einer speziellen Beleuchtung ausgestattet. „Das ist wichtig für die Aufnahme des gesunden Auges, das als Vorlage dient, um die Prothese optisch anzugleichen.“

Reinhard hat die Software entwickelt und für die Modellierung 3D-Scan-Daten von etwa 150 Prothesen verwendet. „Es handelt sich um eine translatorische und datengetriebene Designsoftware“, erklärt er. „Vereinfacht heißt das: Die Daten der Person werden eingegeben und heraus kommt ein virtuelles 3D-Modell der Augenprothese mit einem individuellen Farbdesign.“ Die Software ist so programmiert, dass die Iris, die Pupille und die Sklera samt Blutgefäßen möglichst gut und passend zum gesunden Auge nachgebildet werden.

Erste vollautomatisch erstellte Augenprothese

Wie lange gibt es vollautomatisch gestaltete Augenprothesen aus dem 3D-Drucker schon? „Noch gar nicht“, sagt Reinhard: „Wir sind die Ersten.“ Zwar gab es vor einigen Jahren bereits Ansätze, künstliche Augen im 3D-Druck herzustellen. Diese seien allerdings noch von Hand bemalt oder geformt worden. In Deutschland und Europa werden Augenprothesen seit 100 Jahren in einem aufwendigen Verfahren von Hand hergestellt – aus Kunststoff oder Glas.

„Bei uns verläuft der gesamte Prozess digital. Nur zum Schluss muss die Prothese poliert und vom Okularisten, also dem Hersteller von Augenprothesen, eingesetzt werden“, sagt Reinhard. Die 3D-gedruckten Prothesen sind aus Kunststoff, formstabil und können in jeder Hinsicht mit den handgefertigten Kunstaugen mithalten, so der Informatiker. Er berichtet, dass Patientinnen und Patienten bei den neuen Prothesen bislang keinen Unterschied zu den herkömmlichen feststellen konnten. Die ersten Tests fanden im Moorfields Eye Hospital in London statt, dem größten Krankenhaus Europas mit dem Spezialgebiet Augenheilkunde. Das Feedback aus dem Krankenhaus half dem Forschungsteam, die Augenprothesen aus dem 3D-Drucker stetig zu verbessern.

Reinhard sieht die gute Haftung als Qualitätsmerkmal der neuen Prothesen: „Wenn ein Mensch ein Auge verliert, wird eine Kunststoff- oder Keramikkugel in der Augenhöhle implantiert, an der die Augenmuskeln befestigt werden. Darüber wird das Gewebe geklappt und darauf kommt die Augenprothese. Zwischen diesem Gewebe und der Prothese gibt es noch eine gewisse Mobilität, die es erlaubt, die Prothese zu bewegen. Und hier ist die Haftung ein wichtiger Aspekt.“

Schneller, günstiger, genauer

Reinhard und Prof. Urban erhoffen sich von der neuen Software aber noch weitere Vorteile: einen geringeren Kosten- und Zeitaufwand bei der Herstellung von Augenprothesen, einen günstigeren Preis und eine gleichbleibend hohe Qualität. „Im Moment hängt die Qualität der Prothese sehr stark von den Fähigkeiten des Okularisten ab. Mit unserer Software können wir eine gewisse Konsistenz gewährleisten, da wir stets die gleichen Algorithmen verwenden und den gleichen Druckprozess anwenden.“ Sollte eine Prothese erneuert werden, liegen alle Daten vor und der Ersatz kann innerhalb eines Tages gedruckt werden. Zum Vergleich: Bisher dauert es etwa vier bis sechs Wochen, bis der Patient eine Augenprothese aus Kunststoff erhält. Ungefähr alle zwei Jahre muss eine solche Prothese ausgetauscht werden.

Die innovativen Augenprothesen sind in Großbritannien bereits als medizinisches Produkt zugelassen und werden dort verkauft. Derzeit arbeitet das C2PAE-Team daran, die 3D-gedruckten Augenprothesen flächendeckend auf dem europäischen und dem US-Markt einzuführen. Zu diesem Zweck verbessern die Forschenden seit dem Projektende die Benutzeroberfläche der Software. Zudem ist eine cloudbasierte Anwendung geplant.

---

Artikel vom 29.09.2023