Tekst: Jelmer Remmers
Jelmer Remmers is praktijkhoudend ocularist. Daarnaast werkt hij met verschillende onderzoekers van Amsterdam UMC, onder leiding van dr. Hartong aan diverse projecten op het gebied van oogprothesen.
Eerst even een stapje terug. Om iets 3D te kunnen printen, heb je eerst 3D-informatie nodig. Dit verkrijg je via digitale beeldvorming (MRI/ CT) of 3D scanning. Deze informatie wordt vervolgens gebruikt om een 3D ontwerp te maken. Dit ontwerpen kan handmatig, automatisch of iets daartussenin (semi-automatisch) worden gedaan. Het proces bestaat dus uit drie stappen: 3D-beeldvorming, 3D-ontwerp, 3D-print.
Gebruik AI en algoritmes
Als er in het ontwerpproces stappen moeten worden gemaakt die standaard zijn, kan hiervoor een algoritme worden geschreven die deze stappen automatisch zet. Als deze stappen min of meer standaard zijn, maar op onderdelen specifiek, dan kan Artificial Intelligence (AI) worden gebruikt. Door het AI-programma te ‘trainen’ met voorbeelden (data), ‘leert’ het programma welke stappen er moeten worden gezet in het ontwerpproces. Dit noemen we een data-gedreven ontwerpproces. Een voorbeeld hiervan is het automatisch selecteren van een deel van het lichaam op een MRI-beeld. Een slagader is herkenbaar voor een mens op een zwart-wit MRI-beeld, ook al loopt deze steeds net even anders. Door handmatig in duizenden beelden de slagader te selecteren, en hiermee een AI-systeem te trainen, kan software inmiddels automatisch deze bloedvaten herkennen en selecteren.
Onderzoek 3D-geprinte oogprothesen
Ook op het gebied van oogprothesen staan deze ontwikkelingen niet stil. Een onderzoeksgroep uit Leuven publiceerde in 2016 een methode voor het (handmatig) digitaal ontwerpen van een prothese op basis van een CT-scan van een holte. Dit ontwerp werd niet voorzien van kleur, maar het was een eerste stap. In 2020 publiceerde de groep van het Amsterdam UMC een voorbeeld van een volledig 3D-geprinte prothese in kleur met de kenmerkende vezelige structuur van de iris. Dit was het bewijs dat de technologie er klaar voor was. Ook deze zogenoemde ‘proof of concept’ werd nog niet gedragen door een proefpersoon, omdat de hiervoor benodigde certificering niet binnen het onderzoeksbudget viel. In 2022 is er een afstudeerscriptie van de TU Delft, in samenwerking met Amsterdam UMC, gepubliceerd over een softwaretool voor ocularisten om zelfstandig oogprotheses te ontwerpen. Hierbij werd gebruik gemaakt van 3D-input en de aangeleerde vaardigheden van ocularisten.
Onderzoek in Nederland
In Nederland is men eveneens actief bezig met het 3D-printen van oogprothesen. De onderzoeksgroep van het Amsterdam UMC werkt, in samenwerking met de TU Delft, aan het ontwikkelen van een methode om oogprothesen te kunnen aanmeten, ontwerpen en printen. Er is nauw contact met onderzoekers die het onderzoek in Nature hebben gepubliceerd. Er hebben uitwisselingen plaatsgevonden en er is op regelmatige basis overleg om te bekijken waar krachten gebundeld kunnen worden. Op het gebied van het printen zelf zijn er veel overeenkomsten. Op het gebied van modelbepaling is er wel een wezenlijk verschil. Het beschreven proces in Nature richt zich op het volautomatisch genereren van een model van begin tot eind. Omdat slechts een klein gedeelte van de oogkas gescand kan worden, moet het grootste deel van de prothese op basis van statistiek ontworpen worden.
Het digitale ontwerpproces waar in Amsterdam en Delft aan wordt gewerkt, is juist gericht op het maken van een model waarop de ocularist nog invloed op kan/moet uitoefenen. Op basis van een gescande afdruk wordt automatisch een model gegenereerd waarop de ocularist nog aanpassingen doet. In plaats van een gedeeltelijke scan van de socket zoals beschreven in het Nature-artikel, wordt er een afgietsel van de socket gemaakt die vervolgens wordt ingescand. Op deze manier wordt een volledige digitale weergave van de socket verkregen. Hierdoor hoeft er geen ontbrekende informatie te worden ingevuld door een statistisch model. Doordat een afgietsel de socket wel op een bepaalde manier van vorm verandert, kan de afdruk niet direct worden geprint als passende prothese. De filosofie achter deze aanpak is dat je juist de handmatige vaardigheden en ervaring van ocularisten wilt gebruiken in het proces. Op die manier kun je ook de meer complexe situaties aanpakken. Door de ervaring van de ocularist te combineren met de digitale omgeving hoeft er niet meer vooraf op zoek te worden gegaan naar pasmodellen voor de patiënt. Het is dan niet nodig drie versies van dezelfde prothese te printen, waarbij de ocularist nog veel slijpwerk moet verrichten. Immers, dit ‘slijpwerk’ is dan al in het digitale ontwerpproces gedaan. Dat is een groot voordeel. Ook is de verwachting dat meer ocularisten gebruik zullen gaan maken van 3D-printen als daarbij hun eigen ervaring ook nog kan worden ingezet in het proces.
Toekomst
Op dit moment zijn er grotere patiënt inclusies gaande in het Verenigd Koninkrijk waarover we te zijner tijd nieuwe publicaties mogen verwachten van deze onderzoekers. In het Amsterdam UMC wordt op dit moment door promovendus Emiel Romijn gewerkt aan een studie waarin protheses gebaseerd op een 3D model, vergeleken worden met gebruikelijke aangemeten protheses. Hiervoor zijn de eerste patiënten inmiddels ook geïncludeerd.
Al met al zijn er veel ontwikkelingen in binnen- en buitenland op het gebied van 3D printen van oogprotheses. Alle ontwikkelingen zijn er op gericht een betere, comfortabelere, mooiere prothese te maken. Met zo min mogelijk hinder van het aanmeten en het liefst sneller en goedkoper. Ambitieus, maar door conventionele technieken te combineren met 3D-technieken komt dit meer en meer binnen handbereik.
Onlangs zijn in het wetenschappelijke tijdschrift Nature de resultaten gepresenteerd door een Brits/ Duitse onderzoeksgroep. Hierin gaan de onderzoekers nog een paar stappen verder. Voor het eerst combineren zij diverse technieken tot een prothese die daadwerkelijk werd gedragen door tien proefpersonen. Niet alleen technologisch een knappe prestatie, maar ook organisatorisch. De onderzoeksgroep heeft namelijk de benodigde certificering gekregen om een nieuw medisch hulpmiddel op de markt te brengen.
Recent artikel in Nature
De publicatie ‘Automatic data-driven design and 3D printing of custom ocular prosthesis’ (Johann Reinhard, Philipp Urban, Stephen Bell, David Carpenter & Mandeep S. Sagoo) is via onderstaande link in zijn geheel te lezen. De onderzoeksgroep is samengesteld uit medewerkers van het Duitse instituut Fraunhover, het Moorfields Eye Hospital en het bedrijf Ocupeye. Dit bedrijf heeft het gehele proces gepatenteerd. Lees meer.
Een verkorte Nederlandse samenvatting door Jelmer Remmers van dit onderzoek kun je teruglezen via de website van Vereniging OOG in OOG. Lees meer.
Wat is 3D-printen?
3D-printen is het proces waarbij een driedimensionaal object wordt gemaakt op basis van een model op de computer. Hierbij wordt het materiaal laag voor laag opgebouwd om uiteindelijk een object, zoals een oogprothese, te hebben. 3D-print wordt onder meer gebruikt voor industriële ontwerpen, bij medische toepassingen, maar ook in de kunst.
Bekijk deze video van de NTR over het 3D-printen van oogprothesen.
Referenties:
- Ruiters, S., Sun, Y., de Jong, S., Politis,C.&Mombaerts, I.Computeraided design and three-dimensional printing in the manufacturing of an ocular prosthesis. Br. J. Ophthalmol. 100, 879–81 (2016)
- Groot, A. L. W., Remmers, J. S. & Hartong, D. T. Three-dimensional computer-aided design of a full-color ocular prosthesis with textured iris and sclera manufactured in one single print job. 3D Print. Addit. Manuf. 8, 343–348 (2021).
- Mulder, J. Creating ocular prosthetics using parametric modelling. http://resolver.tudelft.nl/uuid:6f093c02-6405-47bc-832dd74fd2c8714f (TU Delft, 2022)
- Calis, I. A digital workflow for 3D printed full-colour ocular prosthetics. (TU Delft, 2022).
