Einleitung
In der Versorgung von Gesichtsschädeldefekten infolge von Verletzungen durch Gewalteinwirkung
(Trauma), bösartigen Geschwülsten (Tumoren) sowie erworbenen oder angeborenen Fehlbildungen
erfolgt die primäre Rekonstruktion mit dem Ziel einer Wiederherstellung des Gesichtsschädels
und der bedeckenden Weichteile. Sekundär wird eine funktionelle Wiederherstellung
der betroffenen Strukturen angestrebt [6]. Hinsichtlich der ästhetischen und funktionellen Rekonstruktion hat sich die patientenspezifische
Planung im Rahmen der computerassistierten Chirurgie (CAS) als sehr hilfreich erwiesen,
da durch die detaillierte Planung mithilfe der bildgebenden Verfahren das Rekonstruktionsergebnis
genau vorhergesagt werden kann [2], [12] ([Abb. 1]). Die intraoperative Navigation erlaubt zudem eine stetige Kontrolle der Rekonstruktionsschritte,
sodass Fehlpositionierungen verhindert werden können und somit die Notwendigkeit einer
späteren Korrektur des Operationsergebnisses im Rahmen eines Folgeeingriffs minimiert
wird [9], [18], [22]. So sind die Eingriffe weniger invasiv, die Operationszeiten können z. T. erheblich
verkürzt und die Gesichtsschädeldefekte besser rekonstruiert werden. Durch den Einsatz
der patientenspezifischen Implantate (PSI) ist es nun möglich, defektorientiert und
individuell zu versorgen. Die Eingriffe werden dadurch präziser, es werden geringere
Mengen an alloplastischen Materialien verwendet, die Zugänge zum Einbringen dieser
Implantate werden kleiner und schonender für das umliegende Gewebe (minimalinvasiv).
Die Aufenthaltszeiten können verkürzt und bessere klinische Ergebnisse erreicht werden.
Abb. 1 Ablauf der patientenspezifischen Planung in der computerassistierten Chirurgie.
Traumatologie
Die originalgetreue Rekonstruktion des Gesichts durch eine virtuelle Planung wird
bei unilateralen Frakturen inzwischen routinemäßig durch eine Spiegelung der nicht
betroffenen Seite erreicht, sodass im Vorfeld der Operation patientenspezifische Implantate
hergestellt werden können [7]. Bei sekundären Rekonstruktionen, die sich aufgrund der Weichteilatrophien und Vernarbungen
schwieriger gestalten, wird der gleiche Ansatz gewählt [18]. Hierbei werden in der präoperativen Planung zusätzlich die dislozierten Knochen
betrachtet und ideale Linien für die Osteotomie geplant. Schwieriger gestaltet sich
die Rekonstruktion von bilateralen und mittellinienüberschreitenden Traumata wie komplexen
Mittelgesichtsfrakturen oder panfazialen Frakturen, da hier keine Referenz für die
Planung des Rekonstruktionsergebnisses im Sinne unbetroffener Strukturen vorliegt.
Aber auch für diesen Bereich werden inzwischen Algorithmen entwickelt, die ein auf
Normschädeln basierendes Modell der rigiden und elastischen Deformation verwenden,
um eine virtuelle Rekonstruktion zu ermöglichen.
Weitere Vorteile, welche die CAS in der Traumatologie mit sich bringt, liegen darin,
dass aufgrund der Überprüfbarkeit des Erfolgs der Rekonstruktion die Operationszeit
durch vorgefertigte, passgenaue patientenspezifische Implantate verkürzt werden kann.
Hinzu kommt, dass durch den Einsatz der PSI mithilfe von intraoperativer Navigation
eine höhere Präzision erreicht werden kann [5], [23].
Kraniosynostosen
Verknöchert eine Naht oder mehrere Nähte des Schädeldachs (Kalotte) im frühen Lebensabschnitt,
ist ein Eingriff und Eröffnung der Kalotte notwendig, um das normale Wachstum des
Gehirns zu ermöglichen. Dabei werden Teile der Schädelkalotte sowie die frühzeitig
verknöcherte Naht entfernt, um das physiologisch vorgesehene Volumen des Schädels
zu ermöglichen. Der anschließende Schritt sieht eine Rekonstruktion des Schädels in
der gewünschten Form vor. Dabei werden die gelösten und gelockerten Teile der Kalotte
im bisherigen Verfahren händisch und nach Empfinden des jeweiligen Operateurs zu der
gewünschten Schädelform modelliert und osteosynthetisch verplattet oder verdrahtet.
Der Einzug der CAD-/CAM-Technik (computer-aided design/manufacturing) ermöglicht eine
in diesem Zusammenhang stehende, digitale Bewertung der Anomalie sowie das fehlende
und zu erreichende Volumen des Schädels [15], [24], [26]. Aufgrund dieser patientenspezifischen digitalen Analysen wird im 1. Schritt eine
Schablone (CuttingGuide) mittels verschiedener CAD-/CAM-Techniken geplant [1], [16]. Während der Operation gibt dieser CuttingGuide die Schnittvektoren der Osteotomie
und zu entfernenden Teile der Kalotte vor, indem er als eine Art Helm auf den Schädel
des Patienten gesetzt wird. Da dieser Leitfaden im Vorfeld des Eingriffs anhand der
bildgebenden Datensätze des Patienten geplant wird, ist eine exakte Passform ebenso
sichergestellt wie die optimalen Schnittvektoren für diesen einzelnen Patienten.
Nach der Eröffnung der Kalotte und der Kontrolle des gewünschten Volumens wird die
Rekonstruktion ebenfalls mittels patientenspezifischer Implantate durchgeführt. Im
Vorfeld der Operation wird hierzu digital ein Gerüst entworfen, welches die Form des
operierten Schädels vorgibt und sich an der Form der normalen physiologischen Situation
orientiert. Dieses Gerüst besteht aus einer milchsäurebasierten Gitterstruktur, die
als Fixierungsreferenz für die gelösten Knochensegmente dient und somit die Einheilposition
und Wachstumsrichtung vorgibt ([Abb. 2]).
Abb. 2 Milchsäurebasiertes Gittergerüst zur Fixierung der Knochensegmente.
Die Vorteile dieser patientenspezifischen Planung und Versorgung liegen in der Verringerung
von individuellen Fehlerquellen durch eine vorgegebene, individuelle Planung der Operationsschritte
[14]. Nicht zuletzt bietet das in dem patientenspezifischen Implantat gespeicherte Wunschvolumen
des Schädels eine hohe Erfolgschance für eine normale Entwicklung des Patienten [3], [8], [11].
Dentale Implantate
Der Einsatz von patientenspezifischen Implantaten in der dentalen Implantologie findet
hauptsächlich in der prothetisch orientierten Rehabilitation der Kaufunktion sowie
der Erhaltung und Schonung vitaler Strukturen Anwendung. Darüber hinaus steht die
Verringerung postoperativer Komplikationen sowie die Verbesserung funktioneller und
ästhetischer Ergebnisse im Vordergrund der dentalen PSIs. Der Einsatz der digitalen
Planung im Vorfeld wirkt einer fehlerhaften Implantatpositionierung sowie der Verletzung
empfindlicher Strukturen entgegen, bei unterschiedlichsten Behandlungsindikationen
[13], [14]. Der Erfolg bisheriger Methoden, wie die Insertion von Zygomaimplantaten nach einer
ablativen Tumorchirurgie im Oberkiefer oder auch die Implantatinsertion von konventionellen
Dentalimplantaten nach mikrovaskulärer Knochentransplantation sind stark vom Können
des Operateurs abhängig. Die Insertion des dentalen PSIs ist bei einer sorgfältigen
präoperativen Planung deutlich angenehmer als die Insertion von Zygomaimplantaten
Den Erfolg einer implantatprothetischen Rehabilitation bestimmt die exakte Planung
der Implantatposition und im Allgemeinen die prothetischen Versorgungsmöglichkeiten.
Die Planung beginnt hier mit dem Endresultat, auf dessen Informationen alle Schritte
bis zu diesem Endergebnis basieren und geplant werden. Dieses sog. „Backwards Planning“
wird abgerundet durch den Einsatz digitaler Planungssoftware vor dem Eingriff und
der abschließenden Dokumentation anhand aller einzelnen Planungsschritte ([Abb. 3]).
Abb. 3 Durch das „Backwards Planning“ hergestelltes maxilläres, patientenspezifisches Dentalimplantat.
Tumorchirurgie
In der ablativen Tumorchirurgie werden im Zuge der präoperativen Planung zunächst
die multimodalen Bilddatensätze fusioniert, um einerseits die knöcherne Beteiligung,
andererseits die Tumorausdehnung bestmöglich zu bestimmen. Diese sog. Segmentierung
bildet die Grundlage zur Bestimmung der Resektionsgrenzen inklusive des Sicherheitsabstands.
Im gleichen Zuge wird anhand der Segmentierung und des Bildmaterials die virtuelle
Rekonstruktion geplant und simuliert. Diese ist nicht nur notwendig, um die patientenspezifischen
Implantate herzustellen, sondern spielt auch während der intraoperativ navigierten
Insertion von PSI eine wichtige Rolle. Hierbei erleichtern zuvor segmentierte anatomische
Strukturen, wie bspw. die A. carotis interna oder die Sehnerven, die Navigation erheblich
und erhöhen zudem die Sicherheit des Chirurgen [20]. Gleichzeitig hat dieser die Möglichkeit, intraoperative Informationen direkt auf
dem Navigationsmodul während der Operation zu markieren und zu speichern. Diese Informationen
sind vor allem für den Strahlentherapeuten von Bedeutung, sodass dieser die markierten,
intraoperativ aus anatomischen Gründen nicht resektablen Tumoranteile oder den nicht
einhaltbaren Sicherheitsabstand in seiner Bestrahlungsplanung berücksichtigen kann
[9]. Ohne die intraoperative Navigation ist die Benennung und Zuordnung der Randschnitte
(Tumor Mapping) erschwert, wodurch die entnommene Probe u. U. nicht mehr anatomisch
korrekt lokalisiert werden kann. Hier bietet die CAS den Vorteil, dass die Randschnitte
virtuell markiert und benannt werden können. Dadurch wird auch die Zuordnung der histologischen
Ergebnisse deutlich vereinfacht. Sollte im Langzeitverlauf ein Re-Staging notwendig
sein, können die vormals gespeicherten Daten verwendet und mit den neu erhobenen Datensätzen
fusioniert und verglichen werden [21].
Nach erfolgreicher Resektion ist es oft notwendig, eine funktionelle und ästhetische
Versorgung des Resktionsgebiets durchzuführen. Da diese Strukturen oft funktionelle
Beeinträchtigungen nach sich ziehen, ist hier eine optimale wiederherstellende Versorgung
notwendig. Diese wird, wie bereits erwähnt, zunächst patientenspezifisch virtuell
mittels patientenspezifischer Implantate geplant und anschließend mithilfe der Navigation
in die richtige Position gebracht und fixiert. Durch die individuelle Planung jedes
Patienten kann die jeweils beste funktionelle und ästhetische Lösung gewährleistet
werden. Besonders in einem Bereich der Chirurgie, die weder standardisierten Abläufen
noch Methoden unterliegt, sind individuelle Lösungen von entscheidender Bedeutung
für den klinischen und ästhetischen Rehabilitationserfolg.
Unterkieferrekonstruktion
Unterkieferrekonstruktion
Die Unterkieferrekonstruktion kommt besonders in der Tumorchirurgie häufig zum Einsatz.
Verliert ein Patient durch die Entfernung eines Tumors wesentliche Anteile an Zähnen
und zahntragendem Knochen des Unterkiefers, ist eine Wiederherstellung der Funktion
und Ästhetik notwendig [4]. Hierbei bewährte sich für die Rekonstruktion das mikrovaskuläre Fibulatransplantat.
Die entfernten Knochen werden mit neuem patienteneigenem Knochen ersetzt. Dort können
im weiteren Werdegang dentale Implantate eingesetzt werden, sodass eine adäquate Rehabilitation
gewährleistet wird [17].
Die Position des neuen Knochens wird dabei über eine computerassistierte Rückwärtsplanung
bestimmt. Am Computer werden in einem neuen, eigens entwickelten Verfahren die Dimensionen
dentaler Implantate virtuell in Beziehung zu den bestehenden Zähnen gesetzt, um später
eine optimale Zahnverschlüsselung zu sichern.
Im Rahmen der virtuellen Simulation kann im Laufe der präoperativen Planung schon
berücksichtigt werden, an welcher Stelle das Knochentransplantat später positioniert
werden soll, sodass dieses im Laufe des operativen Eingriffs mühelos eingesetzt werden
kann [19]. In diesem Zusammenhang werden patientenspezifische defektorientierte physikalische
Schablonen (Templates) eingesetzt, die während der Entnahme des Transplantats direkt
auf den Knochen aufgelegt werden können, um so das Transplantat passgenau zu trimmen.
Eine weitere Schablone, in manchen Fällen sogar dieselbe Schablone, kann dann anschließend
verwendet werden, um das Transplantat in seine neue Position einzusetzen, da die Lageposition
des Knochens genau abgeschätzt werden kann ([Abb. 4]).
Abb. 4 a bis d Schritte von der digitalen Planung über Schablonen bis zum Implantat.
Primäre Orbitarekonstruktion
Primäre Orbitarekonstruktion
Ist aufgrund einer Verletzung durch Gewalteinwirkung oder durch die Entfernung eines
Tumors eine Orbitarekonstruktion notwendig, liegt das Ziel in der originalgetreuen
Rekonstruktion der Orbita in Form und Volumen. Hierbei soll sowohl die funktionelle
als auch die ästhetische Wiederherstellung erreicht werden [7], [25].
Durch die Reduktion des Orbitavolumens kann im Anschluss an eine Tumorresektion und
eine Primärrekonstruktion der Weichteildefekt idealerweise behoben werden. Die Folgen
eines Weichteildefekts sind u. a. die Wahrnehmung von Doppelbildern, eine Erhöhung
des Augeninnendrucks oder auch neurologische Störungen. Neben den funktionellen Beeinträchtigungen
kann zusätzlich die Ästhetik durch eine Gesichtsasymmtrie, einem En- oder Exophthalmus
oder einem Bulbushoch- oder -tiefstand beeinträchtigt werden.
Aufgrund der komplexen anatomischen Strukturen stellt eine Orbitarekonstruktion den
Chirurgen vor eine große Herausforderung. Eine 3-dimensionale Visualisierung der Strukturen
und eine sorgfältige präoperative Planung ermöglichen einen sicheren chirurgischen
Eingriff und erhöhen die Erfolgsaussichten immens. Hierbei kommt die Spiegelung der
nicht betroffenen kontralateralen Gesichtshälfte zum Einsatz [18]. Der Originaldatensatz wird im 1. Schritt seitenverkehrt dupliziert und anschließend
wird das Duplikat mit dem Original fusioniert. Zusätzlich zur Planung und Entwicklung
eines patientenspezifischen Implantats dient der Datensatz während der intraoperativen
Navigation als eine Art virtuelle Schablone. Dadurch kann mithilfe eines Pointers
sichergestellt werden, ob das Implantat anatomisch korrekt eingesetzt worden ist ([Abb. 5]).
Abb. 5 a bis d Lagekontrolle des Implantats mithilfe einer Navigation.
Sekundäre Orbitarekonstruktion
Sekundäre Orbitarekonstruktion
Die Folge einer Orbitaoperation kann eine dramatische Veränderung der Gesichtsgeometrie
beinhalten. Dadurch ist ein sekundärer Korrektureingriff für die Wiederherstellung
der Funktion und Ästhetik oftmals notwendig. Besonders anophthalmische Patienten,
die mit einer Orbitaprothese versorgt sind und deren Lidfunktion erhalten ist, haben
ästhetische Einbußen (Einsinken des Augapfels oder der Orbitaprothese in die Augenhöhle).
Neben den chirurgischen Fähigkeiten spielen die Form des Orbitaimplantats, die adäquate
Position des Implantats wie auch ein ausreichendes Weichgewebslager eine bedeutende
Rolle.
Kleinere Defekte lassen sich i. d. R. ohne größere Komplikationen beheben. Im Gegensatz
dazu können große Defekte nach einer ablativen Tumorchirurgie Weichteildeformationen
und Gesichtsasymmetrien verursachen [10].
Hierbei bietet der Einsatz von präoperativer Planung und CAS einen sinnvollen Lösungsansatz.
Mithilfe der Planung von PSI findet eine sog. Rückwärtsplanung statt. Das PSI wird
so designt, dass zuerst das ästhetisch wünschenswerte Endergebnis simuliert wird,
indem das Ausmaß des Weichteilgewebes dargestellt wird. Ausgehend von diesem Ziel
wird rückwärts geplant, inwieweit die knöchernen Strukturen rekonstruiert werden müssen,
um das orbitale Volumen zu reduzieren und so das Ziel zu erreichen. Diese Form der
Planung stellt einen deutlich erhöhten Aufwand dar, aufgrund der Komplexität, da die
knöcherne Struktur der Orbita und das periorbitale Weichgewebe berücksichtigt werden
müssen. Hierunter fallen die extraokuläre Muskulatur, das den Kochen umgebende Fett-
und Weichgewebe sowie das durch die Operation entstandene minderwertige Narben- und
Bindegewebe.
Trotz hochauflösender CT- und MRT-Aufnahmen kann nicht jede Weichgewebsstruktur und
deren elastisches Verhalten berücksichtigt werden. Jedoch lassen sich diese Probleme
mithilfe der Planung und einer gewissen Überkorrektur kompensieren. Durch den Einsatz
der Finite-Elemente-Methodik können die besagten Strukturen so miteinander verknüpft
werden, dass das komplexe Zusammenwirken der Strukturen annähernd simuliert werden
kann und somit die dynamischen Veränderungen durch die einzelnen Arbeitsschritte ersichtlich
werden. Im Einzelnen bedeutet dies, dass durch eine manuelle Verschiebung der virtuellen
Orbitaprothese in die zu erwartende Position der Algorithmus automatisch die Form
und Lage der knöchernen Begrenzungen berechnet. Diese Abweichungen der knöchernen
Begrenzungen werden durch das Verfahren des Rapid Prototyping ausgeglichen, indem
ein PSI-Konstrukt fabriziert wird.
Im Anschluss an die Operation erfolgt eine Evaluation der Ergebnisse anhand der Fusionierung
von präoperativen und postoperativen CT-Datensätzen. Zusätzlich ist ein Algorithmus
notwendig, der das intraorbitale Volumen misst, sodass im Nachgang sichergestellt
werden kann, ob tatsächlich eine Volumenreduktion erfolgt ist.
Dysgnathien – orthognathe Chirurgie
Dysgnathien – orthognathe Chirurgie
Die orthognathe Chirurgie ist ein wesentliches Einsatzgebiet der computerassistierten
Planung (CAPP) und CAS, wobei die CAPP von Dysgnathien der konventionellen Planung
überlegen sein kann [27], [28]. In der Behandlung spielt neben der funktionellen Verbesserung der mit der Dysgnathie
einhergehenden Störungen, wie der Kaufunktion, auch die Ästhetik eine Rolle.
Eine Umstellungsosteotomie kann mithilfe der virtuellen Planung detailliert geplant
und die Verschiebungen der Kiefersegmente virtuell simuliert werden, bis eine zufriedenstellende
Therapiestrategie vorliegt. Gerade bei anatomisch schwer zu erreichenden Regionen,
wie der Le-Fort-III-Ebene, können die Verlagerungsstrecken und Positionierungen der
Knochenabschnitte präoperativ geplant werden.
Nach Erstellung der 3-dimensionalen Bilddaten mittels CT oder digitaler Volumentomografie
(DVT) wird z. B. ein Autosegmentierungsalgorithmus eingesetzt, um die virtuelle Le-Fort-I-Osteotomie
des Oberkiefers und die bisagittale Spaltosteotomie, z. B. nach Obwegeser, vorzubereiten.
Im nächsten Schritt werden Gipsmodelle des Zahnbogens vom Ober- und Unterkiefer des
Patienten durch einen 3-dimensionalen dentalen Oberflächenscanner gescannt und in
die initialen CT- oder DVT-Datensätze importiert, sodass die bildliche Darstellung
der Zähne verbessert wird. Dieser Schritt ist entscheidend für die Okklusionskontrolle.
Zu Beginn der virtuellen Planung muss die gewünschte Position des Oberkiefers festgelegt
werden. Anschließend wird ein PSI geplant, welches die neue Position des Oberkiefers
in Bezug auf die Schädelbasis sichert. Dabei wird ein Implantat für das Mittelgesicht
geplant. Die Schnitt- und Bohrschablonen geben die Osteotomielinien und die zukünftige
Schraubenposition vor. Für den Endsplint wird eine Boole-Verknüpfung durchgeführt,
um aus dem vorläufigen virtuellen Splint einen tatsächlichen Splint zu erhalten, um
diesen dann mithilfe eines 3-D-Druckers auszudrucken ([Abb. 6]). Des Weiteren kann ein photorealistischer 3-D-Oberflächenscanner genutzt werden,
um das Weichgewebe des Gesichts des Patienten darzustellen und mit den präoperativen
anatomischen Daten zu fusionieren, wodurch die erwarteten Ergebnisse besser visualisiert
werden können. Während der Operation wird die präoperativ geplante Position des Oberkiefers
nur mithilfe des PSIs befestigt.
Abb. 6 a bis d a Ermittlung der Knochendicke und optimalen Schraubenposition mittels einer Heatmap,
b Anlegen der Schnitt- und Bohrschablone, c Fixierung des patientenspezifischen Implantats, d endgültige Form und Lage des PSIs.
Ausblick
Durch die rasanten technischen Entwicklungen ist es inzwischen möglich, genauere,
kostengünstigere und benutzerfreundlichere Systeme zu entwickeln, die weder lange
Einarbeitungszeiten benötigen, da die Anwendung intuitiv nachvollziehbar gestaltet
wurde, noch längere Behandlungszeiten nach sich ziehen, da die Planung schnell umzusetzen
ist.
Zudem können durch diese technischen Entwicklungen auch bisherige Schwächen der Systeme
beseitigt werden, wie bspw. Plattenfrakturen oder eine nicht ideale Passform, da es
inzwischen auch Verfahren gibt, die eine höchstmögliche Stabilität und Passgenauigkeit
der PSI möglich machen. Somit können heute schon intelligente Implantate entwickelt
werden, die optimal an die Bedürfnisse des Patienten und die anatomischen Gegebenheiten
angepasst sind. Hier ist in erster Linie das Electron Beam Melting (EBM) zu nennen.
Bisher wird dieses Verfahren vor allem für die Rekonstruktion des Hirnschädels eingesetzt.
Aufgrund der bisherigen Erfolge mit dieser Technik soll sie nun auch in der kraniofazialen
Chirurgie eingesetzt werden.
