Artec 3D-Scanner helfen im Kampf gegen Covid-19

11/06/2020

Von Matthew McMillion

Die Corona-Pandemie überrollte in den letzten Monaten die Gesundheitssysteme und brachte die Krankenhäuser an den Rand ihrer Kapazitäten. Überall arbeiteten Ärzte und Krankenschwestern bis zur Erschöpfung und gaben ihr Bestes – soweit das mit den schrumpfenden Ressourcen möglich war.

Für die Marktführer im Bereich medizinischer Produkte war es schwierig, schnell genug zu reagieren – allein die Entscheidungen über effektive Strategien, die Suche nach neuen Zulieferern und das Umrüsten der Produktionsanlagen auf die Fertigung von Atemschutzmasken, Beatmungsgeräten und Luftfiltersystemen dauerte oft Wochen.

Doch es gab noch andere Menschen, die den Kampf gegen Corona aufnahmen: Tausende von 3D-Druck-Profis auf der ganzen Welt kamen dem Aufruf nach, Ärzte, Krankenpfleger und andere medizinische Helfer vor Ort und anderswo zu unterstützen.

Eine dieser Gruppen, The Makers Group, befindet sich in Russland, wo die Zahl der Neuinfektionen Mitte Mai weltweit auf dem zweithöchsten Stand war. Sie entwarf und produzierte überall im Land medizinische Produkte für Corona-Kranke und medizinisches Personal.

Individuell gefertigte, 3D-gedruckte Adapter, mit denen Luftfilter auf eine bestimmte Art von Schnorchelmasken gesteckt werden können, um das medizinische Personal besser gegen Viren zu schützen. Quelle: The Makers Group

Hier drei faszinierende Projekte, die The Makers Group auf den Weg gebracht hat:

Schnorchelmasken für Ärzte und medizinische Helfer

Zuverlässige Atemmasken und andere persönliche Schutzausrüstung (PSA) sind ein absolutes Muss für Menschen, die unter gefährlichen Bedingungen in medizinischen Berufen arbeiten. Doch weil sich die Pandemie bereits über Monate hinzieht, ist in vielen Krankenhäusern und Kliniken der Vorrat an Masken und Gesichtsvisieren so gut wie erschöpft.

Selbst wenn noch welche vorhanden sein sollten, so haben viele medizinische Standardmasken ihre Nachteile: unter anderem den, dass sie gelegentlich versagen und kontaminierte Luft eindringen lassen. Ganz zu schweigen von den Unannehmlichkeiten des täglichen, stundenlangen Tragens.

Deshalb begannen Ärzte in Russland, statt Standardmasken und Gesichtsvisiere eine im Handel erhältliche Schnorchelmaske zu tragen. 10.000 solcher Masken spendete die Sportartikelkette Decathlon großzügiger Weise an russische Ärzte und Pfleger.

Eine der von Sportartikelhersteller Decathlon gespendeten Tauchermasken wird ausgepackt. Quelle: The Makers Group

Die Maske verfügt über eine Dichtung, die am Gesicht fest abschließt und den Träger vor jedem direkten Kontakt mit Viruspartikeln schützt. Das Problem dieser Lösung „von der Stange“ ist allerdings das Anschlussstück für den Schnorchel, das sich oben an der Maske befindet: Hier fehlt der Filter. Das heißt, die Luft, die auf diesem Weg in die Maske eintritt, kann sehr wohl mit Viren belastet sein.

Um diese Schwachstelle zu beheben, entwarf The Makers Group einen speziellen, 3D-gedruckten Adapter. Dieser lässt sich auf den Anschluss aufstecken und mit einem professionellen Luftfilter verbinden.

Sitzt perfekt: Der schwarze 3D-gedruckte Adapter verbindet die Maske mit dem Luftfilter. Quelle: The Makers Group

Als man feststellte, dass korpulentere Ärzte Schwierigkeiten hatten, durch nur einen Luftfilter zu atmen, entwarf The Makers Group einen Doppeladapter. Dieser ermöglichte den Anschluss von zwei Filtern.

Speziell angepasste Schnorchelmaske mit Doppelfiltersystem. Quelle: The Makers Group

Durch die vollständige Filterung der in die Maske einströmenden Luft war der Träger nun vor Viren geschützt. Die Einfach- und Doppelfilteradapter wurden bereits zu Tausenden in 3D gedruckt und sind im ganzen Land heiß begehrt.

Frisch aus dem Ofen: ein Satz 3D-gedruckter Doppelfilteradapter, die an die Masken montiert werden können. Quelle: The Makers Group

Ein Problem gab es allerdings noch mit der Maske: Sie war ursprünglich für den Einsatz im Wasser konzipiert und besaß daher ein Ablaufventil. Durch dieses Ventil konnte Wasser, das beim Tauchen eingedrungen war, abfließen.

Doch in Krankenhäusern, vor allem in Häusern mit hoher Virenbelastung, konnte dieses Ventil theoretisch auch virenverseuchte Luft in die Maske schleusen. Deshalb setzten sich die Mitglieder der Gruppe zusammen und zogen verschiedene Lösungen in Erwägung. Schnell war klar, dass aufgrund der Komplexität der Maske nur 3D-Scans als Ausgangsbasis für eine Lösung in Frage kamen.

Schnorchelmaske, bei der das Ablaufventil hervorgehoben ist. Quelle: Shutterstock

Denis Baev von Artec 3D erklärte sich bereit, The Makers Group zu helfen. Da die Masken stark in Gebrauch waren, gab es für den Scanvorgang ein Zeitfenster von maximal fünf Minuten. Danach benötigte der Arzt die Maske wieder, um seine lange Schicht fortzusetzen.

Teil der Maske mit Ablaufventil, die von Denis Baev (Artec 3D) gescannt wurde. Quelle: The Makers Group

Denis Baev scannte die komplette Maske in hoher Auflösung binnen weniger als einer Minute. Hierfür verwendete er Artec Space Spider, einen professionellen handgeführten 3D-Scanner, der für die Erfassung von Objekten mit komplexer Geometrie und vielen Details konzipiert ist. Wegen des durchsichtigen Kunststoffs der Maske trug er vorher das Mattierungsspray Krylon auf.

3D-Handscanner Artec Space Spider. Quelle: Artec 3D

Doch selbst mit dem Spray war die Maskenoberfläche schwer zu scannen. Deshalb erhöhte Denis die Empfindlichkeit des Space Spider und war in der Lage, die Maske in kürzester Zeit zu scannen.

Anschließend wurden die Scans innerhalb von drei Minuten in Artec Studio 15 verarbeitet und als STL-Datei in Geomagic Design X exportiert. Die automatische „Mesh-zu-CAD“-Funktion von Design X wandelte die STL-Datei rasch in ein funktionsfähiges CAD-Modell um.

Mit Space Spider erstellter Scan der unteren Maskenpartie mit Ablaufventil und das entsprechende CAD-Modell. Quelle: The Makers Group

Mithilfe dieses CAD-Modells konnten weitere Mitglieder von The Makers Group das Problem lösen: Sie stellten ein perfekt passendes Anschlussteil mit Rückschlagventil für die Maske her.

Wenn nun innerhalb der Maske ein Überdruck entstand, konnte die Luft durch das Rückschlagventil entweichen. Dieses bildete sofort danach wieder einen luftdichten Abschluss und verhinderte so, dass potenziell virenverseuchte Luft eintrat.

Bereit zum Einsatz: 3D-gedrucktes Anschlussteil mit Rückschlagventil und Maske. Quelle: The Makers Group

Überall in Russland tragen Ärzte nun tagtäglich eine Schnorchelmaske, die dank des neuen Anschlussteils in eine medizinische Maske umfunktioniert wurde.

Gelkissen für Covid-19-Patienten

Bei ihrer Arbeit mit Covid-19-Patienten stellten die Ärzte schnell fest, dass das Atmen für Patienten mit Lungenentzündung in Bauchlage sehr viel einfacher ist. Darüber hinaus erleichtert die Bauchlage den Ärzten die maschinelle Beatmung der Erkrankten. Allerdings können innerhalb von vier bis fünf Stunden sehr schmerzhafte Druckgeschwüre entstehen, wenn der Patient mit dem Gesicht nach unten auf einem Kissen oder einem Bett liegt.

Erfreulicherweise gibt es spezielle Gelkissen, die das Gesicht eines Patienten in Bauchlage auf für ihn komfortable Weise stützen. Doch diese Kissen sind seit einiger Zeit kaum mehr erhältlich und selbst wenn kleine Menge lieferbar wären – aufgrund des hohen Preises kommen sie für Krankenhäuser, in denen sie so dringend benötigt werden, nicht in Frage.

The Makers Group probierte verschiedene Verfahren zur Herstellung der Gelkissen aus, unter anderem CAD-Design und 3D-Druck. Doch wegen der einzigartigen anatomischen Form der Kissen und des weichen, stützenden Materials konnten keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.

Zum Glück bot ein Krankenhauspatient an, sein Gelkissen auszuleihen. Es musste allerdings im Krankenhaus verbleiben und nach nur zwei bis drei Minuten an den Patienten zurückgegeben werden. Doch diese Zeit reichte aus.

Um das Kissen mit seiner halbtransparenten Oberfläche schnell digital erfassen zu können, besprühte Denis das Kissen zunächst mit Cyclododecan-Spray. So erzeugte er eine matte, weiße Oberfläche, die besser zu scannen war. Artec Eva erfasste das Kissen in wenigen Sekunden und nahm sämtliche Oberflächen und Konturen mit 16 Frames pro Sekunde auf.

Das Gelkissen wird mit dem Handscanner Artec Eva gescannt. Quelle: The Makers Group

In Artec Studio wurden die Scans innerhalb von nur zwei Minuten in eine STL-Datei umgewandelt. Für die Verarbeitung kamen folgende Funktionen zum Einsatz: die globale Registrierung, die scharfe Fusionierung, der Filter für kleine Objekte, die Netzvereinfachung und zum Schluss noch das Radierer-Tool.

Anschließend ging die STL-Datei an den Arzt, der mit The Makers Group am Design des Kissens arbeitete. Nun wurde die STL-Datei in ein CAD-Modell umgewandelt, mit dem sich eine Gussform zur Herstellung der Kissen fertigen ließ.

STL-Modell und CAD-Modell des Gelkissens. Quelle: The Makers Group

Die endgültige 3D-gedruckte Form bestand aus drei separaten Teilen, und es erforderte noch ziemlich viel Arbeit, um die sehnlichst erhofften Resultate zu erzielen. Das weiche Silikon in medizinischer Qualität, das für die Füllung gebraucht wurde, war fast unmöglich zu beschaffen. Nach langer Suche kam Georgy Serezhkin, Mitarbeiter des Artec Gold Resellers Globatek, The Makers Group zu Hilfe. Er stellte den Kontakt zu einem Betrieb her, der das passende Material produziert: ein Softgel, das formbeständig, für Langzeitpatienten gesundheitlich unbedenklich und gleichzeitig hypoallergen ist.

Nachdem alle Voraussetzungen erfüllt waren, wurden die ersten Testkissen produziert und befinden sich mittlerweile im Einsatz. Geplant ist, die Produktion zu steigern und die Kissen auf breiter Basis zugänglich zu machen, damit so viele Patienten wie möglich von ihnen profitieren können.

Schaumstoff-Prototyp des Gelkissens. Quelle: The Makers Group

Improvisiertes persönliches Luftfiltersystem

Für Tausende von Ärzten und Pflegern sind tragbare aktive Luftfiltersysteme nur im Ausnahmefall verfügbar. Doch diese Systeme sind sehr effektiv. Denn selbst die besten Masken mit Filtern können eine echte Herausforderung darstellen, wenn man sie viele Stunden am Tag tragen muss – vor allem für körperlich aktive Menschen, die stärker ein- und ausatmen.

Ganz zu schweigen davon, dass Masken, auch die medizinisch zugelassenen, bekanntermaßen versagen können. Es ist nachgewiesen, dass durch den erhöhten Widerstand professioneller Luftfilter Luft an den Rändern oder Dichtungen entweichen kann. Außerdem sind Standard-Maskenfilter häufig nach einer gewissen Zeit verstopft oder kontaminiert.

Ein portables Luftfiltersystem reinigt die Luft von Viren und Bakterien und pumpt sie direkt zum Träger. Leider sind solche Geräte oft vor Ort nicht erhältlich. Selbst wenn sie verfügbar wären, würden sie für Mediziner und Pfleger in Russland aufgrund ihres Preises nicht in Frage kommen. Denn die meisten müssen ihre Masken und ihre Schutzausrüstung dort selbst zahlen.

Ein einfaches Luftfilterungssystem. Quelle: Shutterstock

Als die „Maker“ davon erfuhren, machten sie sich gleich an die Arbeit. Die Gruppe, zu der einige der klügsten Entwicklerköpfe im ganzen Land gehören, dachte sich ein improvisiertes Luftfiltersystem aus überschüssigen Zubehörteilen aus. Ein System, das überraschend effektiv ist und in kürzester Zeit hergestellt und verschickt werden kann.

Das von The Makers Group entwickelte improvisierte Luftfiltersystem. Quelle: The Makers Group

Das Gehäuse des Luftfiltersystems bildet eine Brotzeitbox. Die Kernkomponenten im Inneren bestehen aus einem Staubsaugerfilter, einer UV-Lampe zum Abtöten von Viren und Bakterien und einem PC-Lüfter, der die gefilterte Luft an den Träger weiterleitet. Über einen integrierten Akku mit Ladehalterung wird das System mit Strom versorgt.

Der Akkubehälter war anfangs allerdings klobig und für gestresste Ärzte in betriebsamen, überfüllten Krankenhäusern unbequem zu tragen. Also machte sich The Makers Group noch einmal an die Arbeit, um den Akkubehälter zu verkleinern und gleichzeitig seine Funktionalität zu erhalten.

Nahaufnahme des Akkubehälters. Quelle: The Makers Group

Die Gruppe bat Denis Baev, das kleine Gerät mit dem Space Spider zu scannen, um ein 3D-Modell zu erzeugen. Auch wenn das Objekt auf den ersten Blick relativ einfach aussieht, ist es für einen 3D-Scanner eine echte Herausforderung: Die Innenseiten des Gehäuses aus schwarzem Plastik haben auf beiden Seiten der Ladestifte Aussparungen und sind deshalb schwer zu scannen.

Nach einigen Versuchen konnte die rechte Innenseite erfasst werden. Doch die linke Innenseite ließ sich nach wie vor nicht scannen, was daran lag, dass sie nahe an einem der Ladestifte lag: Dieser versperrte dem Scanner die Sicht.

Dieses Problem wurde mit den Tools zur präzisen Positionierung und Spiegelung von Artec Studio 15 gelöst: Denis Baev kopierte einfach die rechte Innenseite in die linke und richtete sie perfekt aus.

Wenige Minuten später konnten die Scans bereits in ein hochpräzises 3D-Modell umgewandelt werden.

Das Modell wurde an The Makers Group gesendet und für die anhaltenden Entwicklungs- und Testarbeiten des günstigen, doch höchst effektiven Luftfiltersystems genutzt.

Damit haben die Artec 3D-Scanner wieder einmal unter Beweis gestellt, dass sie bei der Lösung dringlicher Probleme wertvolle Arbeit leisten. Artec 3D hat für alle Anforderungen den richtigen Scanner – ob zur Herstellung von Masken und Gelkissen oder zur digitalen Erfassung und Inspektion von Beatmungsgerätkomponenten, die im ersten Fertigungslauf hergestellt wurden.

Ganz gleich, um welches Objekt und welche Anwendung es sich handelt: Artec 3D-Scanner nehmen nicht nur Honigbienen mit ihren Stigmen auf (Artec Micro). Sie scannen auch einen ganzen Airbus A380 (Artec Ray) an nur einem Nachmittag und erzeugen ein so exaktes 3D-Modell, dass man die Profiltiefe der einzelnen Räder messen kann.