Der Einsatz von Computer- und Robotertechnik in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Stefan Haßfeld und Joachim Mühling
1. Dezember 2000

English abstract

Computer gewinnen zunehmend als Werkzeug zur Unterstützung von Diagnose, Operationsplanung und Therapie Bedeutung in der Medizin und Zahnmedizin. Im Rahmen der modernen digitalen Bildgebung werden sie bei Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Ultraschall genutzt, um anatomische und physiologische Gegebenheiten, dem menschlichen Vorstellungsvermögen gerecht, darstellen zu können. In nahezu allen medizinischen Disziplinen ist die Tendenz zu weniger invasiven Eingriffen feststellbar. Gleichzeitig besteht das Ziel, die bisherigen Grenzen herkömmlicher Operationsmethoden zu durchbrechen. In unserem Fachgebiet betrifft dies alle Bereiche von der dentalen Implantologie bis zur Behandlung kraniofazialer Fehlbildungen und fortgeschrittener Tumoren in dieser anatomisch komplexen Region.

Der Vorteil einer computerunterstützten Operation zeigt sich besonders dann, wenn ein Abgleich des im Rechner abgespeicherten Patientendatenmodells mit den tatsächlichen Gegebenheiten des Patienten in vivo während einer Operation, zur Unterstützung des Chirurgen, erfolgen kann. Dieses Ziel der interaktiven, intraoperativen Nutzung dreidimensionaler Bilddaten ist mit Instrumentennavigationssystemen bereits teilweise verwirklicht [6, 9, 10, 18, 19, 30]. Klinisch werden schon einige Entwicklungen im Bereich Computer- und Robotersysteme zur Unterstützung mund-, kiefer- und gesichtschirurgischer Operationen eingesetzt:


Diagnostik
Dreidimensionale Bildgebungstechniken wie CT, MRT und (3D-)Ultraschall lassen nahezu alle anatomischen und pathologischen Einzelbefunde in hoher Auflösung und Qualität darstellen. Eine Verbesserung der Artefaktreduktion und eine automatische Fusion der verschiedenen Bildmodalitäten in Entwicklung. Eine weitgehend automatische Segmentierung der anatomischen Strukturen aus den Bilddaten zur Erleichterung der grafischen Operationssimulation ist heute nur in Ansätzen möglich.


Planung und Simulation
Das automatisierte Erstellen von Operationsvorschlägen sowie die Simulation operativer Eingriffe und die Darstellung ihrer Auswirkungen im Rahmen der virtuellen Chirurgie sind ansatzweise einsetzbar. Zur Simulation der Operationsauswirkung, das heißt zum virtuellen dreidimensionalen graphischen "Durchspielen verschiedener Behandlungsalternativen am Computer" muss Software zum interaktiven Manipulieren (Betrachten aus unterschiedlichen Richtungen, Schneiden, Tasten, Inserieren von Implantaten, und mehr) in Echtzeit innerhalb der 3D-Visualisierung entwickelt werden.


Operative Umsetzung
Die präoperativ im Rahmen der Diagnostik erfassten Bilddaten sollen jederzeit durch die Operateure interaktiv genutzt werden. Der Einsatz moderner Techniken der computerunterstützten Chirurgie soll dabei zur weiteren Reduktion des Operationsrisikos und der postoperativen Morbiditätsrate beitragen.

Seit einigen Jahren sind Instrumentennavigationssysteme verfügbar, die es dem Operateur erstmals ermöglichen, die aktuelle Instrumentenposition im Operationssitus auf dem dreidimensional rekonstruierten Bilddatensatz des Patienten darzustellen. Ebenso ist es umgekehrt möglich, die Lage einer pathologischen oder anatomischen Struktur des Patienten im Operationssitus gezielt aufzusuchen.

Passive Werkzeuge zur Unterstützung der intraoperativen Orientierung werden künftig eine Übertragung der präoperativen Planung wie mit Projektionstechniken, Head-Mounted-Displays oder Instrumentennavigationssystemen auf den Patienten zulassen.

Nachführsysteme (semiaktive Systeme) werden dem Operateur in Verbindung mit der von ihm durchgeführten Operationsplanung einen gefahrfreien Korridor für die Operationsinstrumente vorgeben. Operationsstrategien lassen sich so präzise und sicher auf den Situs übertragen.

Operationsroboter werden spezifische Operationsschritte vollkommen autonom durchführen. Bekanntestes Beispiel ist das bereits heute klinisch angewendete hochpräzise Ausfräsen des Femurschaftes zur Aufnahme einer Hüftgelenksendoprothese. Teilaspekte dieser Entwicklungen im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie sollen nachfolgend vorgestellt und diskutiert werden.


Diagnostik
Entscheidend für eine erfolgreiche präoperative Planung und intraoperative interaktive Nutzung der Bilddaten ist das Vorhandensein von zwei- und dreidimensionalen Datensätzen. Häufig werden mehrere, teilweise komplementäre, Bildgebungsverfahren eingesetzt, um detaillierte, sich ergänzende Informationen zu den anatomischen Gegebenheiten zu erhalten. Vorteile der Computertomographie sind die exakt reproduzierbare Ortsdarstellung sowie die kontrastreiche Darstellung von Knochen. Vorzüge der MRT sind die exzellente Weichgewebsdarstellung und die freie Wahl der Schnittebenen sowie die Möglichkeit der funktionellen Bildgebung (diffusions- und perfusionsgewichtete Akquisitionen, MR-Angiographie). Dabei wird der Patient keiner Strahlenbelastung ausgesetzt. Vorteile der Sonographie sind die schnelle Verfügbarkeit, die hohe Ortsauflösung, die Möglichkeit der freien Wahl der Schnittebenen und insbesondere auch die Möglichkeit, anatomische Strukturen nachzufahren sowie funktionelle Parameter zu bestimmen (Durchblutung, Gefäßversorgung) [23]. Aufgrund der zunehmenden Notwendigkeit Bildinformationen aus verschiedenen Bildgebungsverfahren auch in die Therapieplanung einfließen zu lassen, erscheint es wünschenswert, diese unterschiedlichen Informationen aus verschiedenen Quellen in einem Bild deckungsgleich zusammenzufügen [17,24]. Dabei ist eine automatisierte Fusion der verschiedenen Bildmodalitäten [8,13,24,29] und eine weitgehend automatisierte Segmentierung der anatomischen und pathologischen Strukturen wünschenswert (Abb. 1).

Abb. 1: Registrierung und Fusion setzen die verschiedenen Bilddatensätze (MRT - oben links und CT oben Mitte) in einen gemeinsamen geometrischen Kontext (fusionierter Bilddatensatz MRT rot und CT grün - oben rechts).
Die Software bietet die Möglichkeit der Darstellung der Einzeldatensätze und des fusionierten Datensatzes in verschiedenen Schnittebenen in einer gemeinsamen Übersicht. (Kooperation mit Prof. Dr.-Ing. H. Wörn, Universität Karlsruhe)


Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist es nicht möglich, automatisch die Gewebe (abgesehen von Knochen und Hautoberfläche) aus den Tomographiedaten zu segmentieren. Die Kenntnis der exakten Lage von Risikoregionen (Gefäße, Nerven) ist jedoch wie beim Einsatz von Robotern besonders wichtig, um eine Kollision bereits bei der Planung der vom Roboter auszuführenden Operationsschritte zu vermeiden. Große Schwierigkeiten bereitet bisher auch die Modellierung von elastischen Gewebeanteilen. Auch in näherer Zukunft wird aufgrund der Komplexität des Weichgewebes eine annähernd getreue Abbildung auf ein Rechnermodell nur ansatzweise möglich sein.

Ein weiterer Schwerpunkt der aktuellen Forschung und Entwicklung ist die Integration dreidimensionaler Bilder in die zahnärztliche Röntgentechnik. Das TACT-Verfahren (tuned aperture computed tomography) und Cone-Beam-CT Techniken [20,21,31, 32, 33] versprechen dem Anwender dreidimensionale Abbildungen des Zahn- und Kieferbereiches in hoher Auflösung. Diese Entwicklungen haben das Potential, eine ähnliche Revolution in der Zahnmedizin auszulösen, wie sie mit der Computertomographie in der Radiologie möglich wurde.

Seit kurzem steht mit der digitalen Volumentomographie ein neues Darstellungsverfahren zur Verfügung, das im Hinblick auf die Diagnostik im Zahn-, Mund- und Kieferbereich prinzipiell die gleichen dreidimensionalen Darstellungsoptionen wie die Computertomographie bietet, jedoch bezüglich der Strahlenbelastung des Patienten Vorteile aufweist. Die Anschaffungskosten liegen deutlich unter den Kosten, der bisher bekannten dreidimensionalen diagnostischen Verfahren. Die Indikationsbereiche dieser neuen Röntgentechnik umfassen nach unseren Erfahrungen die Fremdkörperlokalisation, die dentale Implantologie, die Traumatologie, die Kiefergelenkserkrankungen, die Diagnostik von knöchernen Tumoren und die Diagnostik knöcherner Veränderungen bei Fehlbildungen. Die Gerätetechnik basiert auf dem Cone-Beam-Verfahren, bei dem im Gegensatz zur herkömmlichen Computertomographie das zu detektierende Volumen bei stationärem Objekt durch eine einmalige Rotation der Röhren-Detektoreinheit (360° Umlauf um den liegenden Patienten) mit einem kegelförmigen Röntgenstrahlbündel erfasst wird [1,4,20,21].

Abb. 2: Digitaler Volumentomograph QR-DVT 9000 (Fa. NewTom Deutschland, Marburg). Nach der primären axialen Bildrekonstruktion (links - gewebsdichte Verschattung in
der rechten Kieferhöhle - Verdachtsdiagnose Mukozele)können weitere sogenannte sekundäre Rekonstruktionen errechnet werden (rechts sagittaler Schnitt entsprechend einer gelben Markierung im linken Bild - die basale Verschattung in der Kieferhöhle enthält zentral eine dichtere Struktur).


Konstruktionsbedingt (insbesondere wegen der Strahlenqualität und den Rauschanteilen) eignet sich das vorgestellte digitale Volumentomographiegerät nur eingeschränkt zur Weichgewebsdiagnostik, es erfüllt allerdings alle Anforderungen an die Hartgewebsdiagnostik im Zahn-, Mund- und Kieferbereich (Abb. 2 und 3) [20,21]. Die künftige Geräteentwicklung wird die klinische Wertigkeit der verschiedenen Verfahren unter Berücksichtigung von Dosis und diagnostischer Aussagefähigkeit entscheidend beeinflussen. Bereits heute ist aber der Weg der dreidimensionalen Bildgebung in die zahnärztliche Praxis absehbar.

Abb. 3: 3D-Rekonstruktion der Knochenoberfläche des Mittelgesichts



Planung und Simulation
Ziel der Operationsplanung in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie ist die Optimierung des Operationsergebnisses hinsichtlich funktioneller und ästhetischer Aspekte. Voraussetzung für eine erfolgreiche Operationsplanung ist die Aufbereitung präoperativer Bilddaten des Patienten. Zur Segmentierung der Originalbilddaten werden die einzelnen Pixel beziehungsweise Voxel bestimmten Klassen wie Haut, Knochen, Risikostrukturen, Tumoren und mehr zugeordnet. Leistungsfähige Grafikworkstations sind erforderlich, um eine interaktive Manipulation bei hoher Detailtreue zu ermöglichen.

Mit Hilfe des aus den Originalbilddaten generierten Patientenmodells wird die Definition des Operationsziels und die Planung durchgeführt. Dabei muss man sich jedoch bewusst sein, dass das Modell nur eine Approximation des Patienten ist. So fehlen Informationen zwischen den Schichten der Bilddaten, die Genauigkeit ist somit durch die Schichtdicke eingeschränkt.

Abb. 4: Operationsplanung am Computer. Einbeziehung des Tastsinns als Teil der Mensch-Maschine-Schnittstelle durch Integration eines Kraftrückkoppelungs-Eingabegerätes (PHANToM, Fa. SensAble Technologies, USA).
Dem planenden Chirurgen wird suggeriert, er würde direkt auf der Haut- oder Knochenoberfläche einen Schnitt setzen. (Kooperation mit Prof. Dr.-Ing. H. Wörn, Universität Karlsruhe)


Werkzeuge für die 3D-Interaktion mit den Bilddaten erfordern die Auswahl von Punkten oder Teilvolumen in der 3D-Szene. Im allgemeinen wird eine 2D-Maus für diese Aufgabe verwendet. 3D-Eingabegeräte können die Verarbeitung beschleunigen sowie die Präzision des Vorgehens erhöhen. Durch Einbeziehung des Tastsinns in diese Interaktion kann eine weitere Verbesserung erzielt werden [7]. Aus diesem Grunde wurde in unsere Planungsumgebung ein Force-Feedback-Device (PHANToM, Fa. SensAble Technologies, USA) als Teil der Mensch-Maschine-Schnittstelle integriert. Dem planenden Chirurgen wird suggeriert, er würde z.B. direkt auf der Haut- oder Knochenoberfläche einen Schnitt setzen [22] (Abb. 4). Es besteht allerdings noch eine gravierende Diskrepanz zwischen der wissenschaftlichen Entwicklung von Tools mit zum Teil sehr komplexen Softwaresystemen und der einfachen Handhabbarkeit für den Chirurgen. Diese Problematik ist ein Hindernis auf dem Weg der Technologie in die Praxis, da heute eine interaktive Planung einer komplexen knochenverlagernden Operation über eine Stunde Zeitaufwand erfordert.

Zwei Anwendungsbereiche sollen die klinische Bedeutung der präoperativen Planung und Simulation veranschaulichen:


Computerunterstützte Planung zur Implantologie
Die konventionelle präimplantologische Planung wird in der Regel an zweidimensionalen Panoramaschichtaufnahmen durchgeführt. Dabei kann das tatsächliche Knochenangebot in bucco-lingualer Richtung nicht eingeschätzt werden. Oft stellt sich erst intraoperativ heraus, dass der Knochen zu schmal oder wegen konkaver Grenzflächen nicht für eine Implantation geeignet ist. Aus Sicherheitsgründen müssen bei fehlender Kenntnis der dritten Dimension große Abstände zu den Nachbarstrukturen eingehalten werden; das vorhandene Knochenangebot kann nicht optimal genutzt werden.

Seit einigen Jahren kommen daher CT-basierte Planungssysteme für die dentale Implantologie auf den Markt mit dem erklärten Ziel, diese Limitationen zu beseitigen. Die vermehrte Anwendung der Computertomographie in der dentalen Implantologie machte allerdings bald deutlich, dass die Betrachtung konventioneller Ausdrucke der CT-Schichtbilder nur eine sehr eingeschränkte Beurteilung der Daten ermöglicht. Spezielle ,,Dental"-Programme [16, 25, 27, 28] erstellen anhand einer - vom Untersucher am Bildschirm vorzugebenden - zentralen Panoramalinie beliebig viele dazu parallele Panoramaansichten (vergleichbar einer OPG-Ansicht) und radiäre Schnittbilder. Es handelt sich um Querschnittsdarstellungen der gewünschten Region. Zur Auswahl der geeigneten Implantatinsertionsstelle kann bei Bedarf durch eine fast unbegrenzte, fein abgestufte Folge von Quer- und Panoramaschnitten "geblättert" werden. Dem Behandler ist es somit jederzeit ohne erneute Untersuchung des Patienten möglich, aus dem Original-CT-Datensatz gemäß den Erfordernissen, genau die Informationen zu rekonstruieren, die zur Behandlungsplanung benötigt werden. Diese softwaregenerierten Sekundärschnitte aus dem CT-Datensatz eines Kiefers erlauben somit erstmals die überlagerungsfreie Darstellung und Beurteilung der vestibulo-oralen Dimension des Alveolarfortsatzes sowie die sofortige metrische Erfassung direkt am Bildschirm. Abbildung 5 zeigt dies exemplarisch am Friacom CT-Viewer (Fa. Friadent, Mannheim, www.friadent.de) [11]. Auch dieses Programm weist wie die meisten bisher verfügbaren Softwaresysteme den gravierenden Nachteil auf, dass eine echte dreidimensionale Visualisierung nicht möglich ist. Es werden stets nur Schnitte in verschiedenen Raumebenen parallel visualisiert. Dieser Mangel macht es sehr schwer, die räumliche Lage eines Implantates korrekt abzuschätzen. Dies gilt insbesondere, wenn die Okklusionsebene des Patienten während der CT-Aufnahme nicht präzise parallel zu den Schnittebenen der Primärschichten ausgerichtet war. Es scheint fast unmöglich, bei der Planung mehrerer Implantate diese achsenparallel zueinander auszurichten. Man versucht diesen Mangel durch Verwendung von bereits bei der Bildgebung getragenen Schablonen mit Achsenmarkierungen oder Bohrhülsen zu beseitigen, die nach Auswertung der CT-Daten zu Bohrschablonen für die intraoperative Planung umgewandelt werden [3,14,15,26].

Abb. 5: Friacom CT-Modul (Fa. Friadent, Mannheim): Darstellung der axialen (primären) Schichten der Computertomographie (links oben) und der sagittalen (links unten), koronalen (Mitte unten) und zur individuell wählbaren Panoramalinie des Kiefers orthoradialen (sekundär berechneten) Schichtbilder (rechts).
Zusätzliche Berechnung einer individuell gewählten Schicht (Mitte oben, senkrecht zur in die axiale Schicht links oben eingezeichneten blauen Linie) in der zahnlosen Prämolarenregion des Oberkiefers. Simulation der Insertion eines Implantates in diese Region. Das Implantat wird simultan in allen dargestellten Ebenen angezeigt und kann beliebig mit der Maus positioniert werden. Die Anpassung von Größe und Durchmesser des Implantates ist ebenfalls jederzeit möglich.


In der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universität Heidelberg wurde ein System zur interaktiven 3D-Planung für die Dentalimplantologie entwickelt, das bei hoher Bildqualität ein interaktives dreidimensionalen Positionieren von Implantaten erlaubt [12] (www.med3D.de ).

Für die semiautomatische Segmentierung des Mandibularkanals wurde ein neuartiger Algorithmus entwickelt, der vom Benutzer nur einen minimalen Aufwand zur Initialisierung erfordert und der Bildartefakten gegenüber ein robustes Verhalten aufweist.

Basierend auf Knochenverfügbarkeit, Abstand zu kritischen Strukturen und der geplanten Funktion entscheidet der Zahnarzt über die Platzierung des Implantates. Um ein effizientes Werkzeug in der Hand des Zahnarztes darzustellen, muss das System für eine genaue, hochaufgelöste 3D-Detektion und Visualisierung von Nerven und Knochen sorgen. Für eine interaktive, intuitive Positionierung des Implantates werden Bildwiederholraten von mehreren Bildern pro Sekunde benötigt. Dies ist mit der neu entwickelten Hybridvisualisierung möglich, ohne extrem teure Spezialgraphikhardware einzusetzen. Es ist davon auszugehen, dass die präsentierte Software in naher Zukunft auf handelsüblichen PC´s mit Bildwiederholraten von mehreren Hz lauffähig ist. Dies ermöglicht die interaktive Positionierung der Implantate in der dreidimensionalen Visualisierung mit hoher Bildauflösung (Abb. 6).

Abb. 6: Interaktive Positionierung eines Implantates: Lage und Orientierung des Implantates können in der Schichtdarstellung rechts und in der 3D-Visualisierung interaktiv verändert werden.
Darstellung des semiautomatisch segmentierten Mandibularkanals in CT-Schnittbildern. In der halbtransparenten Darstellung links wird die 3D-Relation des Implantates zum Mandibularkanal deutlich. (Kooperation mit Dr.-Ing. W. Stein, Universität Heidelberg)


Die Konzeption der vorgestellten Software erlaubt künftig auch die Integration einer dreidimensionalen Simulation der prothetischen Suprakonstruktion. Damit ließe sich erstmals die synoptische virtuelle Implantation aus prothetischer und chirurgischer Sicht erreichen.

Zur Umsetzung der Planung während der Operation stehen grundsätzlich intraoperative Navigationssysteme oder computerunterstützt hergestellte individuelle Bohrschablonen zur Verfügung (siehe unten).


Computerunterstützte Planung bei Fehlbildungen
Eigene Softwareentwicklungen zum virtuellen Schneiden und Verschieben von Knochenteilen ermöglichen eine patientenspezifische Simulation komplexer knochenverlagernder Eingriffe. Durch Kollisionsdetektion wird dabei erkennbar, welche Knochenteile noch modelliert werden müssen. Zur besseren Anschaulichkeit werden die einzelnen Knochensegmente farblich unterschieden (Abb. 7). Nach Festlegung der optimalen Verschiebungsdistanz auf dem Rechnerbild können die ermittelten Werte mit Hilfe des Navigationssystems exakt auf den Operationssitus des Patienten übertragen werden. Dadurch wird eine optimale Präzision der Eingriffe gewährleistet.

Abb. 7: Simulation der Korrektur eines Plagiocephalus (von links nach rechts):

Segmentierung der Knochenteile.

Temporäre Entfernung des Stirnbeins.

Ausformung und Vorverlagerung des orbitalen Segmentes.

Ausrichtung des Stirnbeins.

Postoperative Situation zum Vergleich.


Die Simulation der Operationsresultate, d.h. das dreidimensional graphische "Durchspielen verschiedener Osteotomien am Computer" unterstützt den Operateur bei der Planung und der Auswahl der optimalen Operationsmethode. Die 3D-Visualisierung erleichtert die Ergebnisabschätzung der geplanten Operation und die Diskussion mit Kollegen. Bisherige Grenzen in Bezug auf die Anschaulichkeit werden durchbrochen. Damit erhält auch der Patient die Möglichkeit, sich von der Auswirkung der Operation vorab ein Bild zu machen. Fernziel ist die 3D-Simulation der Resultate des beabsichtigten Eingriffs einschließlich der Weichteile. Der Patient könnte dann gemeinsam mit dem Behandler die Entscheidung über das zu wählende operative Vorgehen treffen. Dies stärkt das Vertrauensverhältnis zwischen Arzt und Patient.


Intraoperative Umsetzung
Trotz der noch aufwendigen Technik können die beschriebenen Hard- und Softwaresysteme für Diagnose und Planung einer Operation bereits eingesetzt werden. Für eine intraoperative Unterstützung des Chirurgen bieten sich grundsätzlich folgende Werkzeuge an:


Projektion der Planung auf den Patienten
Anatomisch und pathologisch relevante Strukturen oder Planungsdaten (Schnittführung etc.) können durch direkte Projektion auf den Patienten oder virtuell durch Einspiegelungen in eine 3D-Brille realisiert werden (Abb. 8). Derartige See-Through-Devices oder Head-Mounted-Displays (HMD) sind, u.a. für militärische Anwendungen, bereits verfügbar. Im medizinischen Einsatz und für den Einsatz im Operationssaal müssen sie allerdings noch modifiziert werden. Als Alternative dazu bietet sich die direkte Projektion der gewünschten Informationen auf den Patienten an. Dies erfordert ebenfalls eine genaue Planung und eine Nachverfolgung von Patientenkopf, Augen des Betrachters und Projektor. Da tieferliegende Objekte nicht räumlich lagerichtig auf die Patientenoberfläche projiziert werden können, muss jeweils ihr Schnittpunkt mit der Oberfläche dargestellt werden. Daher muss ständig die Position der Oberfläche beziehungsweise die Lage der Oberfläche bekannt sein. Dies ist technisch bereits möglich, aber mit beträchtlichem Aufwand verbunden.

Abb. 8: Semitransparente Brille zur Überlagerung der Computersimulation mit dem realen Operationsfeld



Navigationssysteme
Als universelles Werkzeug für Operationen besonders im Bereich der Neurochirurgie, Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Orthopädie und Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie wird die intraoperative Instrumentennavigation heute bereits in vielen Kliniken routinemäßig eingesetzt. Hierbei erfasst das Navigationssystem die räumliche Position und Orientierung einer Sonde oder eines chirurgischen Instrumentes (Abb. 9). Nach erfolgter Registrierung wird in die präoperativ erhobenen Bilddaten des Patienten in 2D- und 3D-Visualisierung die aktuelle Lage des Instrumentes eingeblendet [9, 10, 18, 19, 30].

Abb. 9: Optisches Instrumentennavigationssystem SPOCS (Fa. Aesculap, Tuttlingen) mit flexibel aufgehängtem, kleinem Infrarotkamerabalken und Infrarot-Leuchtdioden zur Lageregistrierung an
Operationsinstrument und Patient. Die aktuelle räumliche Lage des Instrumentes wird auf dem Monitor in die präoperativ erhobenen Bilddaten des Patienten eingeblendet.


Durch die dreidimensionale Visualisierung der aktuellen Position und Richtung des OP-Instruments wird der Chirurg interaktiv während der Eingriffe unterstützt. Er verfügt über erweiterte Informationen und kann gezielt mit seinem Instrument eine Position anfahren. Die Präparationssicherheit in anatomisch schwierigen Bereichen wird erhöht, Resektionsgrenzen in der Tumorchirurgie können festgelegt werden und in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie wird die gezielte schnelle Umsetzung der rechnergestützten Planung möglich.

Bei über 70 intraoperativen Einsätzen eines mechanischen Navigationssystems und bisher 90 Einsätzen eines infrarot-basierten Systems wurde eine Präzision von < 3 mm ermittelt. Dies erscheint zunächst ausreichend. Bei der Registrierung der Patientenlage über präoperativ in den Knochen eingebrachte Schraubenmarkierungen oder an den Zähnen fixierte Markierungen (und somit erreichte Unabhängigkeit von Hautverschiebungen) konnte sogar eine Genauigkeit von < 2 mm erreicht werden (Abb. 10). Aus chirurgischer Sicht sollte in Zukunft stets eine Systemgenauigkeit von unter 2 mm verfügbar sein.

Abb.10: Operative Entfernung eines iatrogen nach kranial hinter den Jochbogen verlagerten Weisheitszahnes 28. Zustand nach vergeblichem (sekundärem) Versuch der operativen Entfernung. Auf dem Monitor ist die Lage des verlagerten Zahnes in der 3D- Ansicht


Die Instrumentennavigationstechnik erwies sich in der klinischen Anwendung als überaus hilfreich zur

  • Orientierung im Operationssitus,
  • Planung der Zugangswege,
  • Lokalisation pathologischer Veränderungen oder von Fremdkörpern,
  • präzisen intraoperativen Umsetzung der dreidimensionalen individuellen Planung bei ausgeprägten Kieferfehlstellungen und Gesichtsasymmetrien bei kraniofazialen Entwicklungsstörungen, zum
  • Schutz wichtiger Strukturen und zum
  • Überprüfen von Resektionsgrenzen.
Die Orientierung und Sicherheit für den Chirurgen in komplexen anatomischen Regionen wurde wesentlich verbessert. Osteotomien und Resektionen konnten schneller und präziser durchgeführt werden. Allerdings ist die Gesamtoperationszeit durch den Aufwand bei der Registrierung der Patientenlage noch nicht geringer.

Im Rahmen der umfangreichen klinischen Evaluation der Instrumentennavigationstechnik fanden wir jedoch auch Defizite:

  • Navigationssysteme stehen bisher noch nicht mit der aus chirurgischer Sicht gewünschten, intraoperativen Anwendungsgenauigkeit unter 2 mm, zur Verfügung.
  • Die Systeme erfordern zudem bisher zeitaufwendige und fehleranfällige Registrierverfahren zur Korrelation der Systemkoordinaten und der Patientenlage. Die Bedienung der Software ist nicht ergonomisch in den Operationsablauf integriert. Die Visualisierung auf einem Monitor ist nicht der Arbeitsumgebung des Chirurgen angepasst.
  • Die Anbindung von motorbetriebenen Instrumenten (Bohrer, Fräser, Sägen, und mehr) ist in der Regel wegen mangelnder Echtzeitfähigkeit der Visualisierung noch nicht möglich.
  • Mit zunehmender Dauer des Eingriffs entsprechen die (präoperativ erhobenen) Bilddaten nicht mehr dem aktuellen Operationssitus.

Robotereinsatz
Im Gegensatz zu industriellen Werkstücken sind in der Medizin die zu handhabenden Objekte durch die Eigenschaften Verformbarkeit, komplexe Formgebung und Individualität gekennzeichnet. Eine ausführliche dreidimensionale Diagnostik, die rechnergestützte Planung und Simulation des Eingriffs und eine Sensorik, die in der Ausführungsphase das Operationsfeld überwacht, sind unabdingbare Voraussetzungen für den Einsatz von Robotern.

Beim autonomen Robotereinsatz übergibt der Chirurg dem Operationsroboter für gewisse Abschnitte die Operation komplett. Ist der Vorgang beendet, fährt der Roboterarm an seine Basis zurück, wird vom Operationstisch zurückgezogen, und der Chirurg übernimmt wieder die Operation. Ein Operationsroboter ist hier also als ein Werkzeug zu betrachten, das dem Chirurgen einzelne Vorgänge, für die eine hohe Anforderung an Präzision besteht, abnimmt. Die Entwicklung derartiger Systeme stellt eine besondere Herausforderung aufgrund der unbedingt nötigen Präzision und sicheren Handhabung beim operativen Einsatz dar.

Sehr vielversprechend erscheint uns auch die Entwicklung von Nachführsystemen (semiaktive Systeme). Dem Operateur wird dabei entsprechend der Operationsplanung ein Korridor für die Richtung der Operationsinstrumente vorgegeben.

Dies wäre beispielsweise mit einem Manipulatorarm, der computergesteuert die Säge des Chirurgen auf der berechneten Osteotomiebahn führt, also einer ferngesteuerten Führungsleithilfe für den Chirurgen zu verwirklichen. Der Operateur führt das mit dem Manipulatorarm verbundene Instrument selbst, gegebenenfalls. wird aber eine Abweichung vom geplanten operativen Vorgehen gemeldet oder unter Umständen durch Aktivierung von Kraftrückkopplungssystemen die Abweichung vom geplanten Pfad im Bereich von Risikozonen (wie Nerven, Blutgefäße) durch das System verhindert. Ein solcher mit dem Chirurgen kooperierender Roboter könnte beispielsweise einen noch unerfahrenen Operateur unterstützen, indem er das Eindringen in Gefahrenzonen verhindert (Abb. 11). Experimentell haben wir ein solches System bereits prototypisch am Phantom und im Tierversuch erprobt. Der klinische Einsatz ist in Vorbereitung.

Abb.11: Interaktion von Operateur und Roboter bei Tests am Phantom. Der Roboter dient als dreidimensionale interaktive Bohrhülse zur präsisen Insertion dentaler Implantate. (Kooperation mit PD Dr. R. Boesecke, Fa. Medical Robotics, Schwabmünchen).


Anwendungen der Robotertechnik in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie sehen wir

  • bei Bohrungen mit automatischem Stop nach Knochendurchtritt, zum Schutz der hinter dem Knochen liegenden Gewebe,
  • beim modellierenden Formfräsen von Knochenoberflächen in der plastischen Chirurgie gemäß der dreidimensionalen Operationsplanung,
  • beim tiefendefinierten Sägen bei Umstellungsosteotomien und dreidimensional präzisem Verlagern der Knochensegmente,
  • beim definierten Bohren des Implantatbettes und beim Positionieren von dentalen oder chirurgischen Implantaten,
  • sowie bei der präoperativen automatischen Auswahl der benötigten Osteosyntheseplatten, deren Vorbiegen durch eine spezielle Biegemaschine und bei der intraoperativen Positionierung der vorgebogenen Osteosyntheseplatten an definierten Positionen.

Diskussion
Ein sinnvolles integriertes Gesamtsystem zur computerunterstützten Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie muss bestimmte Anforderungen erfüllen.

Alle Phasen der Therapie müssen integriert werden. Neben der präoperativen Diagnostik muss auch die Operationsplanung und die Ausführung der Operation unterstützt werden. Die Evaluierung der operativen Ergebnisse soll ebenso möglich sein. Das System soll dem Chirurgen sowohl bei konventionellen Operationen ohne technische Hilfsmittel, als auch bei technisch unterstützten Operationen mit passiver Navigations- und schließlich auch mit Roboterunterstützung zur Seite stehen.

Die Unterstützung des Arztes in Form eines solchen Systems soll der Verbesserung der Qualität der Eingriffe dienen. Die Präzision der Eingriffe soll erhöht und gleichzeitig das Risiko für den Patienten vermindert werden. Langfristig sollen durch eine zu erreichende Zeiteinsparung beim Eingriff selbst, eine schnellere Rekonvaleszenz der Patienten nach dem Eingriff, eine Reduktion der Zahl von Reoperationen und eine Kostenreduktion erzielt werden.

Die bisherigen Softwareentwicklungen ermöglichen dies bereits in prototypischer Weise. Vereinfachung und Flexibilisierung sind hierbei dringend notwendig. Die Geschwindigkeit der Visualisierung ist aber oft noch nicht zufriedenstellend. Erst die interaktive 3D-Visualisierung in Echtzeit ermöglicht beispielsweise die Folgen einer Knochenverlagerung dreidimensional genau abzuschätzen und Volumina entstehender Lücken oder eventuelle Kollisionen von Knochensegmenten zu erkennen. Zudem ist die Abschätzung des postoperativen Weichteilbildes nur konzeptionell angedacht und noch in keiner Weise verwirklicht. Solche 3D-Visualisierungen mit den Techniken der Virtuellen Realität erleichtern die Beurteilung der beabsichtigten Operationsstrategie und die Diskussion mit Kollegen. Bisherige Grenzen in Bezug auf das Vorstellungsvermögen werden durchbrochen. Zudem erhält auch der Patient die Möglichkeit, sich von der Auswirkung der Operation im voraus ein Bild zu machen und bei Bedarf auf sie Einfluss nehmen zu können.

Intraoperativ stehen zur Umsetzung heute Instrumentennavigationssysteme für den klinischen Einsatz zur Verfügung, sie werden bereits von vielen Autoren als künftiges Standardverfahren bei komplexen Eingriffen betrachtet [6,10,18,19,30]. In einigen Bereichen, insbesondere bei knochenchirurgischen Eingriffen mit hohen Präzisionsanforderungen, haben sich schon Operationsroboter im klinischen Routineeinsatz bewährt [2]. Generelle Limitationen bestehen beim intraoperativen Einsatz noch dadurch, dass die präoperativen Bilddaten durch die operativen Maßnahmen selbst zunehmend ungenau werden. Hier muss an der Integration intraoperativer Bilddaten (Ultraschall, MRT, CT, konv. Röntgen) in das Planungs-, Simulations- und Navigationssystem gearbeitet werden [5,30]. Beträchtliche Limitationen im Bereich der Bildgebung, der Rechnerhardware und der Software verhindern heute noch einen Routineeinsatz solcher intraoperativer "Imaging-updates".


Ausblick
Die Computer- und Robotertechnik optimiert die Operationsplanung und hilft, die Präzision und Qualität der operativen Umsetzung weiter zu steigern. Durch die vorausblickende Kontrolle des operativen Risikos können heute noch bestehende Indikationsgrenzen durchbrochen und völlig neuartige Eingriffe durchgeführt werden.

Auch wenn viele der vorgestellten Systeme noch prototypenhaften Charakter haben, lassen sie sich bereits zum Wohle unserer Patienten einsetzen. Nachdem die Machbarkeit bewiesen werden konnte, ist es nun die künftige Aufgabe, für eine leichte und intuitive Handhabung zu sorgen. Dies wird zu einem breiten Einsatz dieser Techniken in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie führen.

Universitätszahnklinik
Abt. Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie
Im Neuenheimer Feld 400
69120 Heidelberg

Danksagung
Die präsentierten Arbeiten wurden teilweise im Rahmen des Sonderforschungsbereichs "Informationstechnik in der Medizin - Rechner- und sensor-gestütze Chirurgie" (SFB 414) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

zm 23/2000, Seite 58