Dieser Artikel erschien am 20.11.2024 erstmals in InnoVisions-Magazin - Das Zukunftsmagazin des Fraunhofer-Verbunds IUK-Technologie

Hallo Herr Urban! Schätzungen zufolge dürften zehntausende Gesichtsverletzungen im Ukraine-Krieg in den letzten zweieinhalb Jahren entstanden sein, vor allem durch den massiven russischen Artilleriebeschuss. Kann der daraus resultierende Bedarf an Epithesen oder Augenprothesen für die Verletzten überhaupt mit Eigenmitteln der Ukraine gedeckt werden oder braucht es internationale Unterstützung?

Urban: Die Zahlen sind tatsächlich sehr, sehr hoch. Die UNO hat einen Bericht veröffentlicht, in dem von 19.000 schweren Augenverletzungen allein in den ersten sieben Monaten von 2023 die Rede ist. Mittlerweile, also nach über zweieinhalb Jahren Kriegsgeschehen, dürften es also um die Hunderttausend Verletzte sein, von denen natürlich nicht alle eine Epithese, also ein Hilfsmittel zum ästhetischen Ausgleich von Körperdefekten, oder eine Augenprothese benötigen. Wenn eine solche aber erforderlich ist, liegt das Problem vor allem im aufwendigen Herstellungsprozess. Bisher erfolgt dieser komplett manuell und es erfordert sehr viel Kompetenz, um eine Epithese oder Prothese ästhetisch einwandfrei herzustellen. Was wir in Gesprächen mit Menschen vor Ort in der Ukraine gehört haben, ist, dass zum einen viele Experten geflohen sind, die Expertise also einfach gar nicht mehr verfügbar ist. Zum anderen passt sich ein Land hinsichtlich der Epithetik meist dem Bedarf in Friedenszeiten an. Das heißt, wenn plötzlich Tausende von Neupatienten hinzukommen, dann kann dieser Bedarf gar nicht gedeckt werden, zumal die Herstellung sehr zeitintensiv ist. Deutsche Krankenkassen berechnen für die manuelle Produktion einer Nasenepithese etwa eine Woche, also mindestens 35 Arbeitsstunden. Selbst unter der Annahme, dass die Herstellung durch einen Epithetiker oder eine Epithetikerin idealerweise nur eine halbe Woche in Anspruch nimmt – ein derart großer Bedarf von rund 10.000-20.000 Gesichtsdefekten ist einfach nicht zu stemmen.

Eine Alternative können 3D-gedruckte Epithesen oder Augenprothesen darstellen. Welche Vorteile weisen diese im Vergleich zu handgefertigten Modellen auf?

Urban: Ganz wesentlich ist die schnellere Herstellung, das heißt, ein Epithetiker oder eine Okularistin kann mehr Patientinnen bzw. Patienten versorgen. Ein aus meiner Sicht weiterer großer Vorteil liegt in der konsistenten Qualität, die mit Verfahren des 3D-Drucks ermöglicht werden können. Das soll nicht heißen, dass gut ausgebildete Epithetikerinnen oder Okularisten nicht eine bessere Qualität liefern können. Wie in jedem manuellen Herstellungsverfahren gibt es aber qualitative Abweichungen je nach herstellender Person. 3D-gedruckte Produkte liefern dahingegen eine hohe ästhetische und vor allem gleichbleibende Qualität. Außerdem kann man eine Epithese oder Prothese sehr schnell nachdrucken, wenn sie kaputt ist und das, ohne das Gesicht der betroffenen Person ein zweites Mal scannen zu müssen.

Sind diese 3D-Druckverfahren mittlerweile technisch im Stande, derartige Hochpräzisionsprodukte bis zur Einsatzfähigkeit herzustellen? Oder sind immer noch manuelle Nachbearbeitungen notwendig?

Urban: Im Prinzip sind die ganzen Details sehr gut im 3D-Druck nachbildbar, aber man benötigt trotzdem noch Nachbearbeitungsschritte. Augenprothesen zum Beispiel müssen poliert und entgiftet werden. Da gibt es zwar auch schon automatische Polierverfahren, bei denen in einer Trommel kleinste Partikel feinpoliert werden. Trotzdem können die Augenprothesen danach meist nicht direkt eingesetzt werden. Normalerweise braucht man noch Fachkräfte, die die Augenprothese an die Geometrie der Augenhöhle anpassen. Bislang mussten Okularisten bei 80 Prozent der 3D-gedruckten Prothesen größere Teile noch umformen oder abschleifen. Nur bei einem kleinen Teil waren die Anpassungen so gering, dass diese automatisiert durchgeführt werden konnten.
Bei den Epithesen sind wir noch in einem früheren Stadium, das heißt, wir sind jetzt im Augenblick dabei, in einem Fraunhofer Zukunftsstiftungsprojekt die komplette digitale Prozesskette zu entwickeln. Gerade im Bereich der Epithesen gibt es noch wesentliche Hindernisse, aufgrund derer das »Ukraine Face«-Projekt eben auch als Partnerprojekt mehrerer Fraunhofer-Institute angelegt ist. Denn hinsichtlich der Materialien, die den vollständigen 3D-Druck von Epithesen ermöglichen sollen, gibt es noch einige Aspekte, die erforscht und entwickelt werden müssen.

Welche Rolle nimmt das Fraunhofer IGD innerhalb des Konsortialprojektes genau ein?

Urban: Das Fraunhofer IGD ist zuständig für die komplette digitale Prozesskette, das heißt vom Gesichtsscan bis hin zur Erstellung des digitalen Epithesen- oder Prothesenmodells. Wir sind aber auch für die Hardware der Gesichtsscanner zuständig. Hier am Fraunhofer IGD gibt es eine Abteilung, die 3D-Scanner entwickelt, die in der Lage sind, nicht nur die Geometrie des Gesichts, sondern auch die weiteren Eigenschaften aufzunehmen. Diese Abteilung hat für das »Ukraine Face«-Projekt einen 3D-Scanner entwickelt, der nun noch optimiert und vor allem robuster gemacht werden soll.
Und zum Teil der digitalen Prozesskette: Wir entwickeln gerade die Software »Cuttlefish:Face«. Diese Software kann aus den Daten des 3D-Scans vollautomatisch das Gesicht komplettieren. Das heißt, wenn etwa die Nase fehlt, wird diese eingefügt, wenn ein Ohr fehlt, wird das ebenfalls eingefügt und so weiter. Die Software müssen wir aber noch weiterentwickeln, denn aus unserer Erfahrung mit Augenprothesen muss das Finetuning der Methoden mit ständigen Patiententests und Expertenfeedback einhergehen. Das bisherige Verfahren zum Design von Augenprothesen ist etwa für krebserkrankte Personen, denen das Auge entfernt wurde, i.A. gut geeignet. Wenn aber ein Artilleriegeschoss einen größeren Teil als den Augapfel verletzt hat, zum Beispiel auch das Augenlid beschädigt wurde, dann sind diese Augenhöhlen einfach sehr komplex. Das heißt, man kann statistisch nicht mehr mit dem Arbeiten, was wir bisher gemacht haben. Da ist also noch sehr viel Weiterentwicklung und Optimierung notwendig. Das impliziert aber auch, dass wir mit jedem Patienten oder jeder Patientin die Möglichkeit erhalten, die Software zu verbessern, um weitere Personen, die ähnlich gelagerte Gesichts- oder Augendefekte haben, zu versorgen. Und das ist vor allem der Part vom Fraunhofer IGD.
Es gibt aber noch weitere Aspekte, an den geforscht wird. Die anderen Projektpartner kümmern sich beispielsweise um die Weiterentwicklung der eingesetzten Materialien oder der Herstellungsverfahren. Es wird auch an einem Konzept gearbeitet, wie man die ganze Technik vor Ort in die Ukraine bringen kann und dabei möglichst autark von der gegebenen Infrastruktur ist. Wir haben da an eine mobile Komplettlösung mit Containern gedacht. In einem Container könnten die Scanner untergebracht sein, hier fände also der Gesichtsscan der Patienten statt. In einem weiteren Container würde die Produktion der Prothese oder Epithese stattfinden. Gleichzeitig könnte es aber auch eine Lösung geben, in der die Gesichtsdaten vor Ort aufgenommen werden, die Produktion aber in Deutschland oder in Europa stattfindet. Das wäre dann eine Cloud-Lösung, mit der man die vor Ort gescannten Gesichtsdaten über eine Interverbindung übermittelt und die Epithesen oder Augenprothesen dann in Westeuropa produzieren lässt. Die fertigen Produkte würden dann in die Ukraine geschickt werden.

Noch einmal ganz grundsätzlich zum Herstellungsprozess: Welche Materialien werden in der additiven Fertigung der Augenprothesen oder Epithesen eingesetzt?

Urban: Für Augenprothesen werden Photopolymere im Inkjet-3D-Druckverfahren genutzt. Diese Photopolymere sind tatsächlich Standardmaterialien, die chemisch nur noch gereinigt werden müssen. Das ist sehr schön, weil man da keine neuen Materialen mehr entwickeln muss. Hinsichtlich der Epithesen fehlt uns tatsächlich noch ein geeigneter Werkstoff, um diese auch im Inkjet-3D-Verfahren produzieren zu können. Es gibt zwar einfarbige biokompatible Materialien, aber die nötige Farbspanne, um auch Haut nachbilden zu können, existiert noch nicht. Man braucht da Materialien, die flexibel sind. Heutzutage wird in der Herstellung von Epithesen meist Silikon eingesetzt, was sich ganz gut eignet, weil es biokompatibel und flexibel ist und sich nur relativ langsam durch UV-Strahlung in der Farbgebung verändert. Aber ein biokompatibles, im Tintenstrahldruck direkt druckbares Silikonähnliches Material existiert in dieser Form noch nicht. Deshalb soll eben ein Teil im »Ukraine Face«-Projekt in die Materialentwicklung von druckbarem und biokompatiblen, silikonähnlichen Material fließen. Vor allem das Fraunhofer IAP und das Fraunhofer IPA sind also damit beschäftigt, die Druckfähigkeit und Biokompatibilität eines solchen Materials zu realisieren. Bis wir mit dem Tintenstrahldruck eines silikonähnlichen Materials starten können, werden wohl noch ungefähr drei Jahre vergehen. Das von uns entwickelte Material muss ja auch noch zertifiziert werden. Wir wollen die Menschen in der Ukraine nicht als Testfeld eines neuen Materials instrumentalisieren.
In der Zwischenzeit sollen aber Patientinnen und Patienten in der Ukraine schon versorgt werden können. Dafür wollen wir die Gussformen im 3D-Druckverfahren herstellen, die in der Epithetik bislang für den Abguss des herkömmlichen, biokompatiblen Silikons eingesetzt werden. Dadurch kann man sich schon sehr viele Arbeitsschritte sparen, vor allem die ganze Modellierung der Epithese. Perspektivisch soll Silikon aber direkt im 3D-Druck verdruckt werden können. Mit dieser Produktionstechnologie wird sich das Fraunhofer IAPT beschäftigen. Im Gegensatz zum Tintenstrahldruck ist dieser direkte Silikondruck einfarbig, und kann lediglich auf die mittlere Hautfarbe des Patienten abgestimmt werden, ohne Texturdetails zu realisieren.

Herr Urban, Sie haben eben schon kurz den Gesichtsscan angesprochen, der ein wichtiger Bestandteil Ihrer Arbeit ist. Was sind die speziellen Herausforderungen und welche Soft- und Hardware nutzen Sie zur Umsetzung?

Urban: Der Scanner an sich stellt uns vor zwei Herausforderungen: einerseits die geometrische Genauigkeit, wir wollen ja die kleinsten Hautunebenheiten und die Topographie der Gesichter präzise erfassen, andererseits die Farbgenauigkeit. Für den Gesichtsscan arbeiten wir mit 48 Kameras, jede mit 64 Megapixeln, womit wir also eine relativ hohe Gesamtauflösung erreichen. Warum nutzen wir nicht nur eine Kamera und führen die um das Gesicht? Weil die Patientinnen oder Patienten sich bewegen. Der Scanvorgang muss also sehr schnell erfolgen. Wir nutzen dafür Low-Cost-Kameras, genauer »Raspberry Pi«-Kameras, die mit einer speziellen Beleuchtung ausgestattet die Scanapparatur bilden. Der ganze Scanvorgang dauert nur wenige Sekunden, die Ergebnisse in hoher Auflösung liegen innerhalb von zwei Stunden vor, denn das Ganze muss ja noch komplex dreidimensional rekonstruiert werden. Zurzeit arbeiten wir dafür mit Fotogrammetrie, testen aber auch andere Ansätze wie Motion Splating. Insgesamt liegen wir mit den Kosten der gesamten Scaneinheit unter 10.000€.

Das Verfahren soll also hochgradig automatisiert sein, um eine schnelle und effiziente Versorgung zu ermöglichen. Können Sie den Prozess von der Datenerfassung bis zur fertigen Epithese kurz umreißen?

Urban: Zunächst wird der Scan des Gesichts der Patientin oder des Patienten aufgenommen. Ein im Anschluss manuell zu tätigender Schritt besteht dann darin, die Stelle im Gesicht zu markieren, an der der Gesichtsdefekt liegt. Dann nutzen wir Algorithmen, um das defekte Gesicht zu komplettieren, d.h. die Geometrie und Farbtextur der fehlenden Gesichtsteile zu berechnen. Perspektivisch ist es angedacht, die fehlenden Gesichtspartien, wenn möglich, aus alten Bildern der Betroffenen von vor der Verletzung zu extrahieren. Das ist aber aktuell noch recht weit in der Zukunft.
Wenn wir also das digital komplettierte Modell des Gesichts und den originalen Gesichtsscan mit Defekt haben, lässt sich daraus die Differenz bilden und somit die Epithese extrahieren. Die wird dann noch digital und automatisiert nachbearbeitet, vor allem, um die Übergänge zur Haut möglichst unsichtbar zu machen, man will ja keine erkennbare Kante zwischen Epithese und Gesicht haben. Ist das digitale Epithesenmodell fertig, wird dann aktuell noch eine Negativform gedruckt, die die Epithetikerin oder der Epithetiker dann für den Silikonabguss verwendet. Dabei müssen wir denen aber auch eine Art Farbrezept zur Verfügung stellen, also welche Farbpigmente genau in das Silikon gemischt werden müssen, damit die Hautfarbe korrekt ist. Langfristig ist das Ziel von »Ukraine Face«- aber, die Epithesen vollautomatisch Schicht für Schicht mit einem Inkjet-3D-Drucker und biokompatiblen silikonähnlichen Material drucken zu können. Der einzig manuelle Schritt für Epithetiker wäre dann noch, Haare einzufügen, etwa Wimpern bei einer Orbitalprothese. Denn die Haare können wir nicht drucken.

Mit wie viel Zeit müsste man im vollautomatischen Prozess, also inklusive 3D-gedrucktem Silikon, vom Gesichtsscan bis zur fertigen Epithese rechnen?

Urban: Der Scanvorgang selbst ist sehr schnell und die Berechnungszeiten für das dreidimensionale Gesichtsmodell betragen nur wenige Stunden. Insgesamt kann man von etwa drei Tagen ausgehen, bis die Epithese fertig gedruckt ist. Interessant ist dabei aber auch, dass viele Epithesen parallel im 3D-Drucker gedruckt werden können, die Effizienz also massiv gesteigert werden kann. Langfristig wäre es noch möglich, die Patientinnen und Patienten zu fragen, ob sie sich mit der Epithese ästhetische Veränderungen im Gesicht wünschen. Diesen gemeinsamen Arbeitsschritt könnte man noch in die Prozesskette integrieren.

Ist geplant, die Patienten mit nur einer Epithese zu versorgen, oder ist auch eine langfristige Versorgung möglich?

Urban: Epithesen nachdrucken, das kann man in jedem Fall! Gesichter verändern sich aber mit dem Alter und die Epithesen bleichen im Sonnenlicht aus. Deshalb werden sie in Deutschland alle eineinhalb bis zwei Jahre ausgetauscht. In der Ukraine haben wir nun eine ganze oder sogar mehrere Generationen Kriegsgeschädigter, die kontinuierlich über die kommenden Jahrzehnte hinweg mit Gesichtsepithesen oder Augenprothesen versorgt werden müssen. Und natürlich wird sich auch die Technologie in der Zwischenzeit weiterentwickeln, sodass wir den Patientinnen und Patienten immer bessere Epithesen zur Verfügung stellen können. Also ja, die Versorgung ist auf jeden Fall langfristig angelegt. Und weil die Produktion im 3D-Druckverfahren recht günstig ist, könnten wir eventuell sogar verschiedene Epithesen für unterschiedliche Jahreszeiten anbieten, etwa eine für den Sommer und eine für den Winter, wenn der Hautton des Patienten bzw. der Patientin blasser ist.

Um noch einmal zur Fertigung zurückzukommen – bräuchte es für Betrieb und Wartung der angedachten Containerlösung in der Ukraine Fachpersonal?

Urban: Ja, ein ungeschulter Laie wird das so nicht machen können. Man bräuchte schon eine Fachkraft vor Ort, die die Drucker bedient und wartet. Solche 3D-Drucker sind schon recht wartungsintensiv. Diese Fachkraft muss aber nicht eine Person sein, die über Jahre angelernt wurde. Einige Monate wird eine solche Schulung zwar beanspruchen, viel länger sollte das aber nicht dauern.

Wenn das »Ukraine Face«-Projekt vollständig finanziert werden sollte – wann könnte man mit einer Erstversorgung von Patient*innen rechnen?

Urban: Im ersten Projektjahr möchten wir die 3D-gedruckten Augenprothesen und die Silikongussformen für Epithesen anbieten. Das heißt, dass die aufwendigen und langwierigen Schritte der Modellierung durch Epithetiker vollständig wegfallen. Das Ziel ist es, schnell zu starten und die Patientinnen und Patienten frühzeitig und effizient zu versorgen. Denn wir wollen den betroffenen Menschen baldmöglichst helfen und sie bei der Resozialisierung unterstützen. Eine Versorgung mit vollständig im 3D-Silikondruck hergestellten Epithesen ist für Ende des zweiten Projektjahres anvisiert. Diese anfänglichen Modelle werden aber noch keine tintenstrahlbasierten Epithesen sein. Der Druck im 3D-Inkjetverfahren soll dann Ende des dritten Projektjahres verfügbar sein. Denn wie gesagt, ein im Inkjetverfahren druckbares und biokompatibles Silikon müssen wir erst noch entwickeln.