Skalierbare DICOM-3D-gedruckte Phantome, die Knochen und Weichgewebe von Meeressäugern nachahmen

Warum ein künstlicher Seelöwe wichtig ist

Von Ozeanaquarien bis zu Rettungszentren versorgen Tierärzte kalifornische Seelöwen, die krank, verletzt oder durch schädliche Algenblüten vergiftet sein können. Blutentnahmen bei diesen kraftvollen, empfindlichen Tieren sind für die Diagnose entscheidend, lassen sich aber schwer gefahrlos an lebenden Patienten erlernen. Diese Studie beschreibt, wie Forschende medizinische Scan-Daten in ein lebensechtes, 3D-gedrucktes Modell — ein sogenanntes „Phantom“ — der Hüftregion eines Seelöwen verwandten. Das Phantom fühlt sich an und verhält sich ähnlich wie echtes Gewebe, bietet Lernenden ein realistisches Übungswerkzeug und weist den Weg zu neuen medizinischen Modellen für Tiere und Menschen.

Von Scans zu festen Formen

Das Team begann mit detaillierten CT- und MRT-Scans eines echten kalifornischen Seelöwen, bereitgestellt vom Marine Mammal Program der US Navy. Diese Scans, gespeichert im standardmäßigen medizinischen DICOM-Format, zeigen die Dichte jedes winzigen Gewebewürfels, von weichem Blubber bis zu hartem Knochen. Mit spezieller Software segmentierten die Forschenden die Bilder, trennten Knochen und Weichgewebe basierend auf ihrer Helligkeit in den Aufnahmen. Anschließend bereinigten und glätteten sie die digitalen Modelle, schnitten den Untersuchungstisch und andere Störfaktoren weg und teilten das Skelett in praktische Abschnitte wie Beine, Flossen sowie Becken und Wirbelsäule. Das Ergebnis war ein anatomisch getreuer digitaler Unterkörper, mit besonderem Augenmerk auf die Region, in der häufig Blut entnommen wird, direkt hinter den Hüftknochen.

Aufbau eines geschichteten Körpers von innen nach außen

Statt einen einzelnen festen Block herzustellen, entwarfen die Forschenden das Phantom als vier unterscheidbare Schichten, die die echte Anatomie nachahmen: Knochen, Muskel, Blubber und Haut. Die Knochengestalten wurden direkt als 3D-druckbare Dateien exportiert und im reduzierten Maßstab mit hochauflösenden Stereolithographie-Druckern gefertigt. Eine flexible Außenhülle wurde um den Körper herum konstruiert, ausgehöhlt, um eine Kavität zu schaffen, und oben geteilt, damit Knochen und Weichgewebe eingesetzt werden konnten. Diese Hülle erfüllt eine doppelte Funktion: Sie dient als sichtbare „Haut“ des Phantoms und fungiert gleichzeitig als Gießform für die inneren Gele. Natürliche knöcherne Orientierungspunkte, wie Schwanzwirbel und Flossengelenke, wurden erhalten, sodass das Skelett präzise in der Hülle ausgerichtet werden konnte und dabei das Tastgefühl echter Landmarken reproduziert, auf das Kliniker angewiesen sind.

Gefälschte Gewebe realistisch fühlen lassen

Um festzuhalten, wie sich echtes Seelöwengewebe unter einer Nadel oder Hand verformt, griff das Team auf eine Familie klarer, wiederverwendbarer medizinischer Gelatine-Materialien zurück. Diese Gele gibt es in mehreren Härtegraden, von sehr fest bis sehr weich. Mit einem dynamischen Mechanischen Analysator komprimierten die Forschenden kleine Gelproben kontrolliert, um deren Steifigkeit und Energieverlust bei wiederholter Belastung zu messen — ähnlich dem Eindrücken und Loslassen lebenden Gewebes. Durch den Vergleich dieser Messungen mit bekannten Eigenschaften von Seelöwen-Blubber, -Muskulatur und -Knochen wählten sie spezifische Gele für jede Schicht: ein festeres Gel nahe dem Knochen als Ersatz für robustes Bindegewebe, ein weicheres Gel für Muskel und ein intermediäres Gel für die dicke Blubber-Schicht. Für das Skelett wählten sie ein zähes, jedoch einigermaßen flexibles Kunststoffharz, während eine transparente, dehnbare Harzschicht die äußere Haut bildete und so die inneren Knochen während der Übung sichtbar ließ.

Vom digitalen Modell zum funktionalen Phantom

Mit Materialien und Geometrie festgelegt, bauten die Forschenden das Phantom schrittweise zusammen. Zuerst druckten sie die Knochen und tauchten sie in ein festes Gel, um Sehnen und dicht gebundene Muskulatur in Gelenknähe darzustellen. Die klare Hauthülle wurde separat gedruckt. Dann berechneten sie das Volumen des Blubber- und Muskelraums innerhalb der Hülle in verschiedenen Maßstäben, um zu wissen, wie viel Gel sie schmelzen und eingießen mussten. Unter Verwendung von Vakuumöfen und Eisbädern zur Kontrolle von Blasenbildung und Abkühlung gossen sie eine Blubber-Schicht entlang der Hüllwände, platzierten das Skelett in seiner exakten Position und füllten schließlich den verbleibenden Raum mit einem weichen Muskelgel. Nach einem Tag Aushärtung polierten sie die freiliegende Oberfläche vorsichtig mit Wärme, um sie zu glätten, ohne die Hülle zu verziehen. Das fertige Modell entsprach nahe dem ursprünglichen 3D-Render, hielt beim Handling gut zusammen und erlaubte den Nutzern sowohl das Tast- als auch das Sicht-Erleben der inneren Strukturen.

Was das für Ausbildung und darüber hinaus bedeutet

Für Lernende bietet dieses Seelöwen-Phantom eine realistische Möglichkeit, knöcherne Orientierungspunkte zu ertasten und Nadeln an der richtigen Stelle einzuführen, ohne lebende Tiere zu gefährden. Da der Arbeitsablauf mit routinemäßigen medizinischen Bildern beginnt, lässt er sich an andere Körperregionen, andere Arten und sogar an menschliche Patienten anpassen. Die Studie zeigt außerdem, wie bildbasierte Gestaltung und sorgfältig getestete weiche Materialien lebende Gewebe so weit reproduzieren können, dass sie für Ausbildungszwecke und potenziell für weiche Robotik oder maßgeschneiderte Implantate verwendbar sind. Kurz gesagt: Die Forschenden haben eine praktikable Methode demonstriert, digitale Anatomie in tastbare, skalierbare Modelle zu verwandeln, die das Gefühl aus Klinik oder Rettungszentrum ins Labor oder Klassenzimmer bringen.

Zitation: Fisher, D., Minaian, N., McClain, A. et al. Scalable DICOM 3D-printed phantoms mimicking marine mammal bone and soft tissue. Sci Rep 16, 5929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36154-5

Schlüsselwörter: 3D-gedrucktes Phantom, Kalifornischer Seelöwe, veterinärmedizinische Ausbildung, medizinische Bildgebung, gewebeähnliche Gele