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Hintergrund: Die zentrale Gefäßkanülierung ist besonders bei pädiatrischen Patienten aufgrund kleinerer und oberflächennaher Gefäße anspruchsvoll und bei der traditionellen, „blinden“ taktilen Technik mit höheren Risiken verbunden. Eine ultraschallgeführte Gefäßkanülierung kann diese Herausforderungen reduzieren, erfordert jedoch ebenfalls eine gewisse Routine oder Lernkurve [1], [2].

Kommerzielle Produkte zum Training auf dem Markt sind oft teuer und in ihrer Nutzung bezüglich Dauer und Funktion eingeschränkt [3]. Selbst gefertigte Modelle aus Tierkadavern oder 3D-Druck sind meist nicht langlebig, modular oder beliebig oft nutzbar. Zudem erfordern sie häufig manuelle Nachbearbeitung für die Fertigung, was die einfache Reproduzierbarkeit in Frage stellt [2], [3].

Ziel des Projekts war es daher ein kostengünstiges, reproduzierbares Trainingsmodell mit Hilfe von Computer Aided Design/Manufacturing (CAD/CAM) herzustellen, welches die zentralen Gefäßstrukturen pädiatrischer Patienten realistisch mit pulsatilen Fluss simuliert und im Baukastenprinzip mehrere Funktionen abdecken kann.

Methodik: Die Produktentwicklung erfolgte iterativ unter Berücksichtigung von Reproduzierbarkeit, Haltbarkeit, Kosten sowie Funktionalität und Authentizität.

Jeder Prototyp wurde durch klinische Expertise evaluiert und die Ergebnisse flossen in den Anforderungskatalog des nächsten Prototyps ein. Der Entwicklungsprozess begann mit planaren Punktionspads und führte über die Segmentierung von anonymisierten 2D-Bilddatensätzen von Säuglingen, bei denen die Registrierung von Koordinatensystemen mit „off-the-shelf“ STL-Dateien (Standard Triangle Language) realisiert wurde. Mit Hilfe von CAD wurde über boolesche Operationen und primitive Formen ein virtuelles Körpermodell eines Säuglings („Babymodell“) erzeugt, das multifunktional für das realitätsnahe Training von Punktionen, Einführen von Schleusen und Kathetern oder Infusionssystemen eingesetzt werden kann. Der anschließende Herstellungsprozess umfasste als erste Schritte den 3D-Druck von Thorax, Herz im Polyjet-Verfahren und Stereolithographie sowie die Abformung mit einem Zweikomponenten-Silikonmaterial der modularen Punktionspads und des Babys. Abschließend erfolgte die Montage mit Konnektoren, Silikonschlauchelementen und einer pulsierenden Pumpe, so dass ein kompletter Skilltrainer entstand.

Ergebnisse: Ein dreistufiger Entwicklungsprozess führte zum finalen Prototyp, der alle Anforderungen erfüllte. Dieser bestand aus fünf modularen Komponenten: einem Herzmodell, einem knöchernen Thorax, Punktionspads für die Vena jugularis und Arteria femoralis sowie einem Säuglingskörper. Die Module können individuell oder gemeinsam je nach Funktionsbedarf genutzt werden.

Neben der ultraschallgeführten Punktion unter simuliertem Blutfluss sind auch die Punktion mit Infusionsgabe und die Katheterisierung bis zum Herzen unter Durchleuchtung möglich. Mit einem vollständigen Set können bis zu fünf Teilnehmer gleichzeitig trainiert werden. Die Verbrauchskosten des Gesamtmodells lagen bei 70 € und das Modell wurde bereits im Rahmen eines Herzkathetertrainingskurses mit Ärzten evaluiert. Für eine weitere Teilnehmerzahl ist lediglich ein Austausch der beiden modularen Punktionspads erforderlich, deren Kosten durchschnittlich bei nur 4,30 € pro Paar liegen.

Schlussfolgerung: Das Ergebnis war ein kostengünstiger, modularer pädiatrischer Simulator, In-House produziert. Der interdisziplinäre Innovationstransfer aus dem Maschinenbau erwies sich nicht nur beim Druck, sondern auch in Fertigungs- und Konstruktionsprozessen als effektiv und gewinnbringend.