Virtuelle Chirurgie und ihre Möglichkeiten

Nicht nur Ihre Patienten interessieren sich für digitale Konzepte bei der Behandlung, sondern auch Sie? Der nachfolgende Artikel gibt Ihnen einen zusammenfassenden Einblick in die Welt der digital-virtuellen Mund-, Kiefer- Gesichtschirurgie und Zahnmedizin.

Zusammenfassung

Die Anwendung computergestützter Operationen ist aus dem chirurgischen Alltag der meisten Fachdisziplinen nicht mehr wegzuden- ken. Während sich ihr Anteil sowie das Einsatzausmaß unterscheiden, so haben die meisten verfügbaren technischen In- novationen die Verbesserung des Opera- tionsergebnisses über eine Steigerung der Vorhersagbarkeit gemeinsam. Wäh- rend Verfahren wie virtual augmented reality, mixed reality, computer vision-ge- stützte T echniken trotz beeindruckender Zwischenergebnisse in ihrer Entwicklung noch am Anfang stehen, haben sich Ver- fahren wie die dynamische Navigation ih- ren Weg aus den Kinderschuhen hin zu einem festen Bestandteil des chirurgi- schen Repertoires verschiedener Fachdisziplinen längst gebahnt. Im Hinblick auf eine sich rasant entwickelnde Technologiebranche bleibt es also spannend auf dem Gebiet der virtuellen Medizin, wobei die eingesetzte Technologie nur so gut sein kann wie derjenige, der sie bedient.

Einleitung

Nach Anamnese- und Befunderhebung und Diagnosestellung erfolgt die Indikati- onsstellung zur Durchführung einer adä- quaten Therapie. Die fortwährende Digita- lisierung fast aller Lebensbereiche hat auch in der Medizin und Zahnmedizin längst Einzug gehalten. Neben telemedizi- nischen Anwendungen und elektronischer Archivierung ermöglicht die digitale Diag- nostik auch die Verwendung der virtuellen chirurgischen Planung. Als Grundlage einer solchen Planung dient in der Regel eine dreidimensionale Bildgebung beispielsweise mit digitaler Volumentomographie, Computertomogra- phien oder Magnetresonanztomogra- phien. Diese können durch weitere Diag- nostika wie Facescans, Intraoralscans oder digitalisierte Gipsmodelle ergänzt werden. Um eine möglichst hohe Interoperabili- tät zwischen verschiedenen Systemen und Herstellern gewährleisten zu können, sind offene Dateiformate, Schnittstellen und Standards wie Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) oder Standard Triangulation/Tesselation Language (STL), proprietären Formaten vorzuziehen. Nach erfolgter Diagnostik werden die gewonnenen Daten und deren intrinsi- schen Informationen in geeigneten Pla- nungstools zusammengeführt und die an- gestrebte Therapie bereits im Vorfeld computergestützt geplant (Computer Ai- ded Design/CAD). Die Überführung der Planung auf den Patienten kann statisch beispielsweise über die Herstellung von Schablonen (Computer Aided Manufactu- ring/CAM) oder dynamisch unter Zuhilfe- nahme von Navigationsgeräten erfolgen. Die Umsetzung des vorbeschriebenen soll in diesem Beitrag anhand von Beispie- len ohne Anspruch auf Vollständigkeit der mannigfaltigen Möglichkeiten dargestellt werden.

Vor- und Nachteile der virtuellen chirurgischen Planung

Unabhängig von dem spezifischen Ein- satzgebiet der virtuellen chirurgischen Planung führt deren Einsatz zu einer in- tensiven Beschäftigung mit dem Operati- onsgebiet und somit der Operationsstra- tegie. Davon können besonders auch junge, wenig erfahrene Anwender und sich in Weiter- und Fortbildung befindli- che Kollegen profitieren. Weiterhin kann durch die virtuelle Pla- nung Einfluss auf die Operationszeit ge- nommen werden, wodurch eine Reduzie- rung der entstehenden Kosten [21] sowie eine verringerte Komplikationsrate er- reicht werden kann [22]. Gleichzeitig steigt jedoch mit Verkür- zung der Operationszeit der präoperative Zeitaufwand, der für die Planung benötigt wird. Eine Sonderstellung nimmt dabei die digitale Planung von Umstellungsosteoto- mien ein. Diese wurden auch bereits in der Vergangenheit im Artikulator und Labor geplant. Die digitale Planung kann hier die Vorbereitungszeit verkürzen. Ein weiterer Vorteil, der sich in allen Bereichen der vir- tuellen chirurgischen Planung zeigt, ist der Zuwachs an Genauigkeit und Vorhersag- barkeit des Operationsergebnisses [2, 10, 11, 26].

Umsetzung der virtuellen, chirurgischen Planung am Patienten

Betrachtet man den Workflow virtueller chirurgischer Planungen, drängt sich eine wesentliche Schnittstelle auf, nämlich die Umsetzung der virtuellen Planung in dem realen Operationssaal. Für diesen Trans- fer bedarf es passender T echnologien wie beispielsweise solcher, die die wesentli- chen Planungsaspekte in Form von Im- plantat-Bohrschablonen, Okklusionssplinten bei der Dysgnathiechirurgie oder auch Resektions- und Schnittschablonen für komplexe Rekonstruktionseingriffe in sich verschlüsseln. Während diese – die Durchführung von Operationsschritten vereinfachenden oder vorhersagbar ma- chenden Instrumente – in der Regel nicht für den dauerhaften Verbleib im Körper vorgesehen sind, ist der Verbleib patien- tenspezifischer Implantate, die das Ergeb- nis einer Operation in Position und Stel- lung vorgeben, meistens dauerhaft intendiert. In beiden Fällen bietet sich die Um- setzung der Planung in ein Objekt der rea- len Welt durch den 3D-Druck an.

Einsatzgebiete der virtuellen chirurgischen Planung

Obwohl der Einsatz virtueller Planungen keine exklusive Domäne der modernen Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie oder der Zahnmedizin ist, sind die Einsatzmög- lichkeiten in diesen Fachgebieten aufgrund der komplexen dreidimensionalen Anato- mie der Kopf-Hals-Region mannigfaltig.

Beispiel Dysgnathiechirurgie

Die orthognathe Chirurgie ist ein integrier- ter Bereich der Mund-, Kiefer- und Ge- sichtschirurgie und der Kieferorthopädie, der darauf abzielt, dentofaziale Deformitä- ten kombiniert kieferorthopädisch und chi- rurgisch zu behandeln. Obligater Bestand- teil einer jeden Behandlung war und ist die präoperative Planung mit Festlegung der Verlagerungsstrecken und der Zielokklusi- on. Noch in der nahen Vergangenheit er- folgte diese Planung anhand von patien- teneigenen Gipsmodellen und Fernrönt- genseitenaufnahmen (FRS) und erforder- te die vorherige Abdrucknahme, die Ce- phalometrie, die zeitaufwendige und recht fehleranfällige „Modell-OP“ sowie die an- schließende Herstellung der Okklusions- splinte durch die Zahntechnik. Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung wurde die- se analoge Methode schrittweise durch virtuelle Techniken bis hin zum volldigita- len „Workflow“ ersetzt. Was früher Fern- röntgenseitenbild (FRS) und Orthopanto- mographie waren, ist heute die digitale Vo- lumentomographie mit daraus rekonstru- ierten 3D-Modellen und Seitenaufnahmen zur Cephalometrie (Abb. 2). Alginatabfor- mungen, Gipsmodelle und Modell-OPs wurden ersetzt durch den Intraoralscan, virtuelle Okklusionseinstellungen und Os- teotomien (Abb. 3). Die entsprechende Erstellung der Ok- klusionssplinte (intermediär und final) er- folgt dann automatisiert und über den 3D-Druck. Um den digitalen Workflow zu komplettieren, kann in die Planung noch der Oberflächenscan des Patienten inte- griert werden, was dem tatsächlichen postoperativen Ergebnis sehr nahe kommt (Abb. 4).

Wurde der Einzug der virtuellen Pla- nung anfangs von Kritikern als überflüs- siger und kostspieliger „Hype“ tituliert, so untermauern aktuelle Studien die Vortei- le der modernen Technik deutlich. Denn entgegen der subjektiven Einschätzung höherer Kosten differieren diese im Ver- gleich zwischen konventioneller und digi- taler Planung nur marginal. Nicht margi- nal, sondern vielmehr hochsignifikant, unterscheiden sich die beiden Planungs- methoden jedoch hinsichtlich der Pla- nungszeit, die bei der digitalen Planung einer bimaxillären Umstellungsosteoto- mie (Le-Fort I Osteotomie + bilaterale sa- gittale Split-Osteotomie) mit 143 Minuten über die Hälfte kürzer ausfiel als bei der konventionellen Methode mit 385 Minu- ten (195 min vs. 114 min bei bilateraler sagittaler Split-Osteotomie) [12]. Auch die zentrale Frage nach der Ge- nauigkeit virtueller Planungen konnte in einer aktuellen Übersichtsarbeit zuguns- ten der digitalen Methodik beantwortet werden. Wobei der Vergleich zwischen präoperativer virtueller Planung und postoperativer Bildgebung ohne signifi- kante Differenz der untersuchten Para- meter zu einer angenommenen Referenz von 2 mm und 2° ausfiel [1]. Im Vergleich zur konventionellen Planung ergab sich für die computergestützte Planung eine höhere Genauigkeit [1, 16]. Neben dem Einsatz von Okklusions- splinten, in die die Informationen der vir- tuellen Planung integriert sind, ist der Einsatz patientenspezifischer Implantate (Osteosyntheseplatten) bei der Dysgna- thischirurgie ein regelmäßig diskutiertes Thema [17]. Befürworter postulieren be- sonders bei der Oberkieferumstellung validere Ergebnisse, da die Verlagerung anhand des mobilen Unterkiefers aus- bleibt. Klarer Nachteil der beschriebenen Methodik sind jedoch signifikant höhere Kosten für die Planung und Herstellung der patientenspezifischen Implantate. Ei- ne abschließende Bewertung der Im- plantatsysteme kann jedoch aufgrund der unzureichenden Evidenz bislang nicht durchgeführt werden [5].

Beispiel onkologisch-rekonstruktive Chirurgie

Die virtuelle Planung wird bereits seit meh- reren Jahren bei der Behandlung von Kie- fer- und Gesichtspathologien in Form von Resektionsschablonen, sog. cutting gui- des, für die ossäre Malignomresektion (Abb. 5a), die ossäre Transplantatlager- vorbereitung oder Transplantatkonfigura- tion/-hebung (Abb. 5b) eingesetzt [3, 7]. Die Anwendung geführter Osteotomien ist am vorteilhaftesten bei chirurgischen Re- sektionen im Bereich des Mittelgesichts sowie des Unterkiefers und bei großen Tu- moren, die anatomische Orientierungs- punkte bereits verdrängt oder gänzlich zerstört haben. Obwohl die computeras- sistierte Chirurgie die Vorhersagbarkeit und die Qualität knöchern-rekonstruktiver Eingriffe deutlich verbessern kann, stellt die Art der osteosynthetischen Fixierung einen entscheidenden Bestandteil einer präzisen Rekonstruktion dar [29]. Beim konventionellen Vorgehen wer- den die Knochensegmente mit handelsüb- lichen Titanplatten fixiert, die manuell ge- bogen und gedreht werden müssen, um sich der Knochenanatomie anzupassen. Der manuelle Konturierungsprozess ist oft mühsam und technisch anspruchsvoll und kann die genaue Position der Knochen- segmente beeinträchtigen. Schlimmer noch, das wiederholte Biegen führt zur Materialermüdung mit einem erhöhten Ri- siko eines Materialversagens (Material- bruch) der Osteosyntheseplatten [20]. Die Nachteile konventioneller chirurgi- scher Platten verdeutlichen die Vorteile patientenspezifischer Osteosyntheseplat- ten. Im Vergleich zu konventionellen Plat- ten werden patientenspezifische Osteo- syntheseplatten entsprechend der indivi- duellen Knochenkontur in einer dreidi- mensionalen (3D) Struktur konstruiert und hergestellt. Neben subtraktiven Verfahren wie Computerized Numerical Control (CNC)-Fräsen mit Limitationen bei kom- plex gebogenen Geometrien, haben sich in den letzten Jahren die 3D-Druckverfah- ren Elektronenstrahlschmelzen (EMB) und Selektives Laser Schmelzen (SLM) durchgesetzt. Die SLM-Technologie ist ei- ne Hightech-3D-Metalldrucktechnik, die den Hochleistungslaserstrahl nutzt, um feine Titanpulver zu einem Ganzen mit op- timalen mechanischen Eigenschaften zu verschmelzen [15, 24]. Das Ergebnis ist eine der patientenspezifischen Anatomie angepasste Osteosyntheseplatte zur Fi- xierung der knöchernen Transplantate (Abb. 6). Vor mehr als 20 Jahren wurde die Na- vigation im Bereich der Kopf- und Halschi- rurgie eingeführt. Einst für den neurochi- rurgischen Einsatz entwickelt, hat es mit der wachsenden Zahl von Indikationen auch in der Mund-, Kiefer- und Kieferchi- rurgie Anerkennung und Akzeptanz gefunden [19]. Diese T echnologie, die auch als bildgeführte Chirurgie/Image Guided Surgery (IGS) bezeichnet wird, ermöglicht eine genaue Verfolgung des Zeigers oder des chirurgischen Instruments innerhalb eines 3D-Operationsfeldes in Echtzeit. Neben mehrheitlicher Anwendung in der Kiefergelenkchirurgie, der geführten Biopsie sowie der alloplastischen Orbita- bodenrekonstruktion, wurde die Anwen- dung der intraoperativen Navigation im Bereich des Unterkiefers aufgrund seiner Mobilität und der dadurch bislang unge- nauen Registrierbarkeit selten beschrie- ben [4, 6]. Innovative Ansätze konnten in diesem Zusammenhang bereits den er- folgreichen präklinischen Einsatz der in- traoperativen Navigation zur geführten Unterkiefer- sowie der anschließenden Fi- bulaosteotomie/Segmentierung in pas- sender Konfiguration nachweisen [8, 14].

Beispiel Zygomaimplantate

Die Jochbein-Implantatpositionierung ist ein Ansatz, der aufwendige Alveolar- kamm- oder Sinusaugmentationen mittels autologen Knochentransplantaten und folglich Entnahmemorbiditäten vermeidet, die Gesamtbehandlungsdauer verkürzt, und somit die postoperative Gesamtmor- bidität verbessert [18]. Das Jochbein ist ein bilateraler, pyramidenförmiger Kno- chen, der durch eine kortikale und trabe- kuläre Komponente gekennzeichnet ist. T omografische Studien zeigen, dass kei- ne signifikanten morphologischen und vo- lumetrischen Veränderungen dieser Regi- on mit Zahnverlust und Kieferatrophien verbunden sind, während der Jochbein- knochen eine ausreichende Knochendich- te aufweist und ein Kandidat für die Posi- tionierung von Implantaten ist [23]. Obwohl die Geschichte der Zygomaim- plantate bereits einige Jahre zurückreicht, erleben sie heute im Zuge stetig verbes- serter Materialeigenschaften ein Revival [9]. Aufgrund der unregelmäßigen Form des Jochbeins und der eingeschränkten intraoperativen Sicht besteht jedoch bei der Platzierung von Zygomaimplantaten zweifellos das Risiko, die Orbita und/oder die Fossa infratemporalis zu penetrieren und darin enthaltene, wichtige Strukturen zu verletzen. Nicht zuletzt die Wahl des je- weiligen Vorgehens (intrasinusidal, Sinus- slot-T echnik oder extrasinusidal), stellt ho- he Ansprüche an die Fähigkeiten des Be- handlers/der Behandlerin, was nicht sel- ten durch die Sicht-verbessernde Darstel- lung der gesamten Region mit umfangrei- cher Denudierung gelöst wird. Um eine präzise Implantatinsertion und eine mini- malinvasive Operation zu erreichen, wur- den ein computergestütztes chirurgisches Navigationssystem und ein endosko- pisch-assistierter Zugang vorgeschlagen [28]. In den letzten zwei Jahrzehnten wur- den solche T echnologien zunehmend ein- gesetzt, um die optimalen Trajektorien für das Setzen der Implantate bei Patienten mit hochgradig atrophierten oder Defekt- Oberkiefern zu ermitteln. Und alle haben vielversprechende Ergebnisse in Form ei- ner Reduzierung der intra- und postopera- tiven Komplikationen gezeigt [25, 27]. An- ders als bei dentalen Standardimplantaten ist die Lernkurve bei der Verwendung von Zygomaimplantaten nicht zuletzt aufgrund der langen Bohreranästze und der kom- plexen Anatomie deutlich flacher. Eine zu- sätzliche Schwierigkeit liegt trotz der Mög- lichkeiten der dynamisch-intraoperativen Navigation in der Parallelität von Navigati- onsbild und Patientensitus (Abb. 7). Mo- derne Entwicklungen mit Ansätzen zur In- tegration von Augmented (AR) und/oder Mixed Reality (MR)-T echniken zeigen hier vielversprechende Ergebnisse [13].

Beispiel dentale Implantologie

Die Insertion dentaler Implantate kann frei- hand, schablonengeführt (fully- oder half- guided) oder echtzeit-navigiert durchge- führt werden. In jedem Fall kann nach An- fertigung einer präoperativen Bildgebung die Implantatposition virtuell geplant werden, wobei dreidimensionale Bildgebungs- verfahren wertvolle Informationen zur Ver- fügung stellen. Schablonengeführte, auch als „statisch navigierte“ bezeichnete, Im- plantationen erfordern eine Abformung des Kiefers, die mittels Abformmaterial sowie Gipsmodell und anschließendem Scan des letztgenannten oder digital unter Zuhilfe- nahme eines Intraoralscanners erfolgen kann. In einem der auf dem Markt verfüg- baren Planungsprogramme werden Bild- gebungsdatensatz sowie Abformung „ge- matched“. Die Abformung wird also mit den Zähnen beispielsweise einer digitalen Vo- lumentomographie in Deckung gebracht. Nach virtueller Positionierung des Implan- tats erfolgt die digitale Erstellung der Füh- rungsschablone sowie deren 3D-Druck. Eine Schablone kann entweder nur zur Aufbereitung des Implantatbetts (half-gui- ded) oder auch weiter bis zu Insertion des Implants (fully-guided) verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Ab- weichungen bei der fully-guided Insertion geringer sind [2]. Neben der statisch navigierten Implan- tation ist auch eine dynamische Navigati- on möglich. Hierbei wird die Position der Bohrer- oder Implantatspitze während der Implantation in Echtzeit auf einem Monitor angezeigt. Dazu ist ebenfalls eine dreidi- mensionale Bildgebung sowie bei den meisten kommerziell erhältlichen Naviga- tionssystemen eine Abformung notwen- dig. Die Genauigkeit bezogen auf die ge- plante Implantatposition bei Verwendung der dynamischen Navigation ist im Ver- gleich mit der statischen Navigation, je- doch bietet die dynamische Navigation in- traoperativ eine höhere Flexibilität sowie zusätzliche Kontrollmöglichkeiten durch die Darstellung der aktuellen Position des Instruments im Knochen [26).

3D-Druck als Schlüsseltechnologie der statischen Navigation

Die Verwendung von individuellen Bohr- oder Führungsschablonen, Splinten und Schnittschablonen wird unter dem Begriff der statischen Navigation zusammenge- fasst. Die Hilfsinstrumente ermöglichen al- so eine gezielte, gesteuerte und individua- lisierte Therapie. Neben kommerziellen Angeboten gro- ßer Medizinproduktehersteller können Schablonen ebenfalls in Dentallaboren oder in-house, also in Eigenregie, herge- stellt werden. Zur Anwendung kommen hier im Wesentlichen drei Druckverfahren, selective laser sintering (kurz: SLS), mate- rial jetting (kurz: MJ) oder stereolithogra- phy (kurz: SLA), wobei im Hinblick auf öko- nomische Aspekte auch andere Druck- technologien wie fused filament fabrication (kurz: FFF) (Abb. 8a) und digital light pro- cessing (kurz: DLP) (Abb. 8b) mehr und mehr in den Fokus rücken. Die beiden zu- letzt genannten bieten sich entsprechend auch für Dentallabore und ambitionierte Ärzte und Zahnärzte im Eigenbetrieb an. Bei dem fused filament fabrication (FFF), das, namensrechtlich geschützt, auch fused deposition modeling (FDM) oder fused layer modeling (FLM) genannt wird, wird ein dreidimensionales Objekt Schicht für Schicht im Schmelzverfahren aufgebaut. Dazu wird das gewünschte Material, das in Filamentform meist auf Rollen zur Verfügung steht, zunächst ge- schmolzen und dann fadenförmig inner- halb jeder Schicht aufgetragen. Für das digital light processing (DLP) wird unter Zuhilfenahme eines Projektors schichtweise flüssiges Harz polymerisiert. Diese T echnik erlaubt eine kürzere Bau- zeit und eine feinere Schichtauflösung, je- doch sind die verwendeten Harze unverar- beitet meist gesundheitsschädlich und in der Anschaffung teurer.

Virtual Surgical Planning 2.0 – Dynamische Navigation

Denkt man das Konzept der Digitalisie- rung vollständig, so ist die Konsequenz, dass eine virtuelle Planung direkt und oh- ne Zuhilfenahme von Schablonen als Er- gänzung des chirurgischen Instrumentari- ums im Operationssaal umgesetzt wird. Dieses als dynamische Navigation be- zeichnete Vorgehen findet bereits über verschiedene Fachdisziplinen hinweg An- wendung und erfreut sich besonders in komplexenAnwendungenimmergrößerer Beliebtheit.

Fazit für den Praktiker

• Digitale Workflows können die Eingriffszeit verkürzen.

• Mithilfe digitaler Planungen können Eingriffe für Patienten verständlich erläutert werden.

• Patienten-spezifische (individualisierte) Implantate sind beispielhaft für die Integra- tion hochmoderner digitaler Konzepte in den Behandlungsablauf von Patienten.

• Durch virtuelle Behandlungsplanungen und die intraoperative Navigation kann die Patientensicherheit erhöht werden.

[September 2021, 03/21] Zeitschrift für Zahnärztliche Implantologie ZZI

Autoren: Dr. Dr. Daniel G.E. Thiem, Dr. Matthias Gielisch, Prof. Dr. Dr. Peer W. Kämmerer