Image Guided Surgery - Technische Universität Dresden
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Einsatz der<br />
Operationsnavigation (<strong>Image</strong> <strong>Guided</strong> <strong>Surgery</strong>)<br />
in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie<br />
Präzisionsanalyse zur navigationsgestützten dentalen Implantologie<br />
Eine experimentelle und klinische Studie<br />
Inauguraldissertation<br />
zur Erlangung eines doctor medicinae (Dr. med.)<br />
der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus<br />
der <strong>Technische</strong>n <strong>Universität</strong> <strong>Dresden</strong><br />
vorgelegt von<br />
Matthias Schneider<br />
aus Bautzen<br />
<strong>Dresden</strong> 2001
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme<br />
Schneider, Matthias:<br />
Einsatz der Operationsnavigation (<strong>Image</strong> <strong>Guided</strong> <strong>Surgery</strong>) in der Mund-,<br />
Kiefer- und Gesichtschirurgie / Matthias Schneider. - Als Ms. gedr. - Berlin<br />
: dissertation.de, 2002<br />
Zugl.: <strong>Dresden</strong>, Techn. Univ., Diss., 2001<br />
ISBN 3-89825-356-2<br />
1. Gutachter: Prof. Dr. med. habil. Dr. med. dent. U. Eckelt<br />
2. Gutachter: Prof. Dr. med. Dr. med. dent. Klaus Louis Gerlach<br />
Copyright dissertation.de – Verlag im Internet GmbH 2001<br />
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen<br />
oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,<br />
auf Datenträgern oder im Internet und der<br />
Übersetzung, vorbehalten.<br />
Als Manuskript gedruckt.<br />
Es wird ausschließlich chlorfrei gebleichtes Papier verwendet.<br />
Printed in Germany<br />
dissertation.de - Verlag im Internet GmbH<br />
Pestalozzistraße 9<br />
10 625 Berlin<br />
URL: http://www.dissertation.de
1 EINLEITUNG......................................................................................................... 5<br />
1.1 STAND DER TECHNIK......................................................................................... 5<br />
1.2 PROBLEMSTELLUNG .......................................................................................... 6<br />
1.3 GRUNDLAGEN DER COMPUTERASSISTIERTEN OPERATIONSNAVIGATION ........... 8<br />
1.4 TECHNISCHE MÖGLICHKEITEN ZUR INSTRUMENTENNAVIGATION ................... 11<br />
1.5 PLANUNGSVERFAHREN IN DER DENTALEN IMPLANTOLOGIE............................ 20<br />
2 MATERIAL UND METHODE........................................................................... 28<br />
2.1 ÜBERSICHT ÜBER DEN ABLAUF DER PHANTOMSTUDIE .................................... 28<br />
2.2 BEGRÜNDUNG DER GERÄTEAUSWAHL............................................................. 29<br />
2.3 MARKIERUNGSSYSTEM.................................................................................... 31<br />
2.4 DATENAKQUISITION IM SPIRAL-CT................................................................. 32<br />
2.5 DATENBEARBEITUNG UND DATENTRANSFER................................................... 35<br />
2.6 PLANUNG DER NAVIGIERTEN IMPLANTATINSERTION ....................................... 37<br />
2.7 KALIBRATION UND REFERENZIERUNG DES INSTRUMENTARIUMS .................... 38<br />
2.8 INSERTION UNTER FÜHRUNG DES NAVIGATIONSSYSTEMS ............................... 41<br />
2.9 PROZESS DER IMAGEFUSION ............................................................................ 44<br />
2.10 DATENANALYSE – STATISTISCHE AUSWERTUNG ............................................. 45<br />
3 ERGEBNISSE....................................................................................................... 47<br />
3.1 REGISTRIERGENAUIGKEIT................................................................................ 47<br />
3.2 GENAUIGKEIT DES NAVIGATIONSPROZESSES................................................... 47<br />
3.3 ALGORITHMUS DER NAVIGATIONSGEFÜHRTEN IMPLANTATINSERTION............ 50<br />
3.4 KLINISCHES ANWENDUNGSBEISPIEL ............................................................... 55<br />
4 DISKUSSION ....................................................................................................... 60<br />
4.1 PLANUNG UND SIMULATION............................................................................ 60<br />
4.2 FEHLERANALYSE............................................................................................. 62<br />
4.3 GENAUIGKEIT.................................................................................................. 65<br />
4.4 KLINISCHER EINSATZ ...................................................................................... 70<br />
4.5 NAVIGATIONSSYSTEME FÜR DIE IMPLANTATINSERTION .................................. 78<br />
4.6 AKTUELLE ENTWICKLUNGEN UND AUSBLICK ................................................. 79<br />
5 ZUSAMMENFASSUNG...................................................................................... 88<br />
3
6 ANHANG .............................................................................................................. 90<br />
7 EIGENSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG......................................................... 106<br />
8 DANKSAGUNG ................................................................................................. 107<br />
9 THESEN.............................................................................................................. 108<br />
4
1 EINLEITUNG<br />
1.1 Stand der Technik<br />
Die rasante Entwicklung der Computertechnik eröffnet immer neue Dimensionen für<br />
die präoperative Planung und intraoperative Kontrolle von Eingriffen in der Mund-,<br />
Kiefer- und Gesichtschirurgie.<br />
Die kontinuierliche Weiterentwicklung insbesondere der Computertomographie (CT),<br />
der Magnetresonanztomographie (MRT) und des Ultraschalls (US) und die Verarbei-<br />
tung der Bilddaten auf immer leistungsfähigeren Computersystemen hat zur Vervoll-<br />
kommnung der diagnostischen Möglichkeiten entscheidend beigetragen. Ein Schwer-<br />
punkt der aktuellen Entwicklung ist es nunmehr, durch Navigations- und Robotiksys-<br />
teme die Bildinformationen auch im Rahmen des therapeutischen Vorgehens direkt<br />
nutzen zu können. Der Begriff Operationsnavigation oder <strong>Image</strong> <strong>Guided</strong> <strong>Surgery</strong><br />
(IGS) bezeichnet dabei eine Gruppe neuartiger Verfahren der computerassistierten<br />
Chirurgie (CAS), bei denen rechnergestütze Bildverarbeitung und Instrumentenfüh-<br />
rung zur Unterstützung chirurgischer Eingriffe eingesetzt werden. Unter computeras-<br />
sistierter Chirurgie versteht man im Allgemeinen den Einsatz von Computertechnik in<br />
der Chirurgie. Arbeiten auf diesem Gebiet sind häufig das Ergebnis einer sehr engen<br />
Kooperation medizinischer, technischer und informationsverarbeitender Disziplinen.<br />
Ausgehend von neurochirurgischen Stereotaxiegeräten und Lokalisationssystemen aus<br />
der Strahlentherapie wurden Systeme entwickelt, die es dem Operateur ermöglichen,<br />
seine Instrumentenposition auf einem dreidimensional-rekonstruierten Bilddatensatz<br />
am Computermonitor oder in das Operationsmikroskop eingespiegelt jederzeit zu kon-<br />
trollieren. Dem Chirurgen wird die Möglichkeit gegeben, bereits präoperativ die Vor-<br />
gehensweise und den möglichen Operationsweg zu planen. Die präzise Lokalisierbar-<br />
keit des Instrumentariums erlaubt ein weniger invasives Vorgehen. Allerdings werden<br />
auch umfangreichere Eingriffe durch die gezielte Schonung wichtiger Strukturen mög-<br />
lich. Insbesondere in der Schädelbasischirurgie, der Tumorchirurgie, der Behandlung<br />
craniofacialer Fehlbildungen, der Fremdkörperentfernung und bei der Positionierung<br />
von dentalen Implantaten ermöglicht die intraoperative Navigationshilfe ein maximal<br />
5
schonendes und sehr gezieltes Vorgehen [11, 14, 17, 19, 23].<br />
Durch den Einsatz von Navigationssystemen versucht man, die Schranken des bisheri-<br />
gen operativen Vorgehens zu durchbrechen. Einige dieser Systeme, insbesondere im<br />
neurochirurgischen Umfeld, haben bereits Eingang in die klinische Routine gefunden<br />
und dazu beigetragen, schonender, gründlicher aber auch sicherer zu operieren und<br />
somit zu einer schnelleren Genesung der Patienten beizutragen.<br />
Zudem gibt ein Navigationssystem dem jüngeren wie auch dem erfahrenen Kollegen<br />
durch die vorherige Simulation der Operation eine ideale Lern- und Ausbildungsmög-<br />
lichkeit.<br />
1.2 Problemstellung<br />
Systeme zur Operationsnavigation halten im Moment Einzug in die Operationssäle<br />
verschiedener Fachdisziplinen. Auch von Seiten der Mund-, Kiefer- und Gesichtschi-<br />
rurgen ist ebenfalls ein Drang zur verstärkten Nutzung solcher Technologien zu ver-<br />
zeichnen. Aufgrund der hohen Komplexität und der besonderen ästhetischen und sozi-<br />
alen Bedeutung des Gesichtes besteht in unserem Fachgebiet ein großer Bedarf an prä-<br />
zisen Operations- und Wiederherstellungstechniken. So wurden in den letzten Jahren<br />
von verschiedenen Arbeitsgruppen Anstrengungen unternommen, computergestützte<br />
Systeme zu entwickeln, bei denen das konventionelle operative Vorgehen durch den<br />
Einsatz von computerassistierter Chirurgie ersetzt wird. Dabei reicht das Spektrum<br />
von der Hilfestellung zur Operationsplanung bis hin zur roboterunterstützten Operati-<br />
onsdurchführung.<br />
Die Möglichkeit, die Vorgehensweise präoperativ zu planen, ist in vielen Bereichen<br />
unseres Fachgebietes etabliert und innerhalb kurzer Zeit zum erforderlichen Standard<br />
geworden. Als Beispiel seien hier stellvertretend die Planung von Dysgnathieoperatio-<br />
nen, die plastisch-rekonstruktive Chirurgie und die Implantologie genannt.<br />
Allerdings ist ein umfangreicher Planungsprozess nur dann sinnvoll, wenn die Planung<br />
auch exakt umgesetzt werden kann. Nicht selten fehlt jedoch noch die Schnittstelle,<br />
mit der sich diese Planung in den Operationssaal überführen lässt. Durch den Einsatz<br />
von komplexen Systemen zur intraoperativen Instrumentennavigation kann diese Lü-<br />
cke geschlossen werden.<br />
6
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Verwendbarkeit eines intraoperativen Naviga-<br />
tionssystems in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie beispielgebend für den<br />
Einsatzbereich der dentalen Implantologie zu evaluieren. Obwohl in jüngster Zeit<br />
stark an der Weiterentwicklung computerbasierter Methoden in der Implantologie ge-<br />
arbeitet wird, wurde bisher kein praxisgerechtes System vorgestellt, das eine unkom-<br />
plizierte Implantatplanung und gleichzeitig die intraoperative Freihandinstrumenten-<br />
überwachung und -navigation unterstützt.<br />
Einen wesentlichen Einfluss auf die Einsatzmöglichkeiten hat die erreichbare Genau-<br />
igkeit des Systems, der sich die Arbeit zuwendet. Über die technische Genauigkeit des<br />
Navigationssystems hinaus wird am klinisch realitätsnahen Modellversuch die Präzisi-<br />
on eines optischen Systems im Vergleich von Planung und Operationsergebnis be-<br />
stimmt. Damit werden die möglichen Fehler beginnend bei der Datenakquisition über<br />
die Registrierung der Koordinatensysteme bis zur navigierten Operation vollständig<br />
erfasst. Unter diesem Aspekt werden sowohl systematische als auch zufällige Fehler<br />
subsummiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen sollen insbesondere<br />
Aufschluss darüber geben, welche durchschnittliche Präzision bei Verwendung der<br />
gegenwärtigen Technik erwartet werden kann.<br />
Schlussfolgernd werden für verschiedene Indikationsbereiche gültige Lösungswege<br />
aufgezeigt und Empfehlungen zur weiteren Vervollkommnung des Gerätes teils indi-<br />
kationsübergreifend formuliert. Die Arbeit will damit einen Beitrag zur Adaptation<br />
und Weiterentwicklung der Hard- und Applikationssoftware von Navigationssystemen<br />
an die besonderen Einsatzanforderungen und Indikationen der Mund-, Kiefer- und<br />
Gesichtschirurgie leisten.<br />
7
1.3 Grundlagen der computerassistierten Operationsnavigation<br />
Die Möglichkeit, nichtinvasiv pathologische Strukturen zu visualisieren, ist in den<br />
letzten Jahren durch die Weiterentwicklung der diagnostischen Bildgebung revolutio-<br />
niert worden. Trotzdem existierte bisher keine Verbindung der diagnostischen 3-D-<br />
Daten zum Operationsgeschehen. Es ist zumeist immer noch Aufgabe des Chirurgen,<br />
die zweidimensionalen diagnostischen Daten in ein dreidimensionales geistiges Modell<br />
zu überführen. Verschiedene Verfahren wurden entwickelt, um diese Aufgabe zu ü-<br />
bernehmen. Mit Hilfe von mechanischen Armen, aktiven Leuchtdioden, passiven<br />
Markersystemen und magnetischen Feldern kann die Lage von Patient und Instrumen-<br />
tarium kontinuierlich und zunehmend in Echtzeit visualisiert werden. Im folgenden<br />
soll ein Überblick über den Entwicklungsprozess und den gegenwärtigen Stand der<br />
Technik gegeben werden.<br />
1.3.1 Historische Entwicklung<br />
Die Ursprünge der computergestützten intraoperativen Navigation sind am Ende des<br />
letzten Jahrhunderts bei den Anfängen der Stereotaxie zu suchen [45]. Der Begriff<br />
Stereotaxie bedeutet das Aufsuchen eines Punktes im Raum, also die exakte Lokalisa-<br />
tion anatomischer Strukturen. Dittmar, ein Neurophysiologe, begann als Erster, mit<br />
einer mechanischen Vorrichtung im Tierversuch tiefliegende Strukturen anzusteuern<br />
[21]. Mussen entwickelte einen stereotaktischen Rahmen, den er am Menschen ein-<br />
setzte [86]. Diese Verfahren basierten jedoch zunächst auf der Verwendung von ana-<br />
tomischen Atlanten. Es fehlte damals noch die bildgebende Diagnostik pathologischer<br />
Strukturen als wesentliche Voraussetzung für die gezielte stereotaktische Behandlung.<br />
Die Verfügbarkeit von Röntgenstrahlung am Ende des 19. Jahrhunderts eröffnete neue<br />
diagnostische Möglichkeiten. Damit konnten erstmals auf Grundlage von Röntgenauf-<br />
nahmen präoperative Planungen erstellt und realisiert werden. Als ein weiterer Mei-<br />
lenstein in der Entwicklung der Stereotaxie sind die Arbeiten von Kirschner zu wer-<br />
ten, der zur Behandlung der damals kaum therapierbaren Trigeminusneuralgien das<br />
Ganglion Gasseri gezielt ausschaltete [59].<br />
Erst die Verfügbarkeit des Computertomographen Anfang der 70er Jahre, gebaut von<br />
8
Hounsfield und Ambrose, sowie ausreichende Rechenleistung für hochauflösende De-<br />
tektoren erlaubten die Realisation von computergestützten 3D-Navigationssystemen [4,<br />
57]. Während anfänglich jedes einzelne Bild eines CT-Datensatzes mit einer Video-<br />
kamera oder einem Scanner in den Rechner übertragen wurde, können heute die Da-<br />
tensätze direkt aus dem CT oder einem anderen Aufnahmegerät in das Navigationssys-<br />
tem übertragen werden.<br />
Seit Mitte der 80er Jahre wurde mit der Entwicklung sogenannter rahmenloser Stereo-<br />
taxie begonnen. Verschiedene Arbeitsgruppen entwickelten Systeme, die auf Grundla-<br />
ge unterschiedlicher technologischer Prinzipien funktionierten [20, 65, 80, 81, 116,<br />
126]. So wurde von Schlöndorff ein intraoperatives Navigationssystem realisiert, das<br />
mit einem positionsempfindlichen elektromechanischen Arm funktionierte. Die von<br />
diesem System gemessenen Koordinaten wurden von einem Rechner ausgewertet und<br />
als Positionen in den korrespondierenden CT-Schichten des Patienten als Fadenkreuz<br />
dargestellt. Tan gelang es wohl erstmals, mit einem magnetischen Positionsmessgerät<br />
eine Sonde relativ zu einem präoperativen Bilddatensatz zu positionieren [110].<br />
Andere Arbeitsgruppen versuchten, das Operationsmikroskop in den 3D-<br />
Navigationsprozeß einzubinden [28, 36, 58]. Dabei wurde der Focuspunkt des Mikro-<br />
skops zunächst mit Ultraschall und später mit optischen Elementen verfolgt.<br />
Mit Entwicklung der MRT stand eine weitere diagnostische Modalität zur intraopera-<br />
tiven Navigation im Raum zur Verfügung. Heute kann praktisch in Korrelation zu<br />
allen 3D-diagnostischen Bildbefunden navigiert werden.<br />
Die Entwicklung begann an einigen ausgewählten Zentren weltweit, und nach einer<br />
lokalen Spezialisierung auf wenige Standorte im deutschsprachigen Raum ist die<br />
Technologie der Navigation so weit verbreitet, dass faktisch in jedem größeren chi-<br />
rurgischen oder akademischen Zentrum ein Navigationssystem eingesetzt wird [24,<br />
45].<br />
1.3.2 Grundlagen der Positionsbestimmung im Raum<br />
Das lateinische Wort "Navigation" heißt Schifffahrt und bedeutet soviel wie die Be-<br />
stimmung des Standortes sowie die Wahl und Kontrolle des Weges.<br />
Als Beispiel, um das Funktionsprinzip eines Operationsnavigationssystems zu erläu-<br />
9
tern, eignet sich das Global Positioning System (GPS), das unter anderem zur Naviga-<br />
tion von Kraftfahrzeugen, zur Standortbestimmung und zu militärischen Zwecken ge-<br />
nutzt werden kann (Abb. 1).<br />
Abb. 1: Navigationsprinzip des GPS-Systems<br />
Mit diesem System können beispielsweise fahrende Autos Signale von verschiedenen<br />
im Orbit stationierten Satelliten empfangen. Aufgrund der Laufzeitunterschiede der<br />
ausgesendeten Signale ist eine Positionsbestimmung des Fahrzeuges bis auf einen Me-<br />
ter genau möglich. Die Genauigkeit dieses Systems ist bei Nutzung im militärischen<br />
Bereich noch weit höher. Mit Hilfe einer im Navigationsgerät des Autos gespeicherten<br />
Landkarte kann der Fahrer am Bildschirm oder durch eine Stimme vom Punkt A zum<br />
Punkt B geleitet (navigiert) werden. Die in medizinischen Anwendungen verwendeten<br />
Systeme haben ein ähnliches Funktionsprinzip.<br />
Die intraoperative Navigation setzt ein sogenanntes Punkt-zu-Punkt-Matching zwi-<br />
schen identischen Punkten am Patienten und dem angefertigten präoperativen Bildda-<br />
tensatz voraus. Das Gebilde des 3D-Datensatzes wird mit dem Patienten in Überein-<br />
10
stimmung gebracht. Für eine zuverlässige Navigation muss selbstverständlich während<br />
der Operation diese Deckungsgleichheit erhalten bleiben. Mathematisch gesehen wird<br />
eine Festkörpertransformation („rigid body“-Transformation) ausgeführt. Dazu wer-<br />
den mindestens 3 bis 4 Punkte am Patienten angefahren, die Koordinaten gemessen<br />
und mit den entsprechenden Punkten im 3D-Datensatz korreliert [6, 66]. Typischer-<br />
weise geben Navigationssysteme darüber Auskunft, wie gut diese Näherung durchge-<br />
führt werden konnte. Als Genauigkeitsergebnis dieses Matching-Verfahrens wird ein<br />
sogenannter oft zitierter RMS - Wert angeben. Dieser „root-mean-square-Fehler“ ent-<br />
spricht der Wurzel aus den mittleren Fehlerquadraten und gibt Auskunft darüber, wie<br />
gut die gemessenen Punkte in die tatsächlichen Werte des Bilddatensatzes eingepasst<br />
werden können. Dabei ist insbesondere im Hinblick auf die Untersuchungen zu beach-<br />
ten, dass der RMS - Wert nur wenig Aussagekraft über die erzielbare klinische Ge-<br />
nauigkeit hat. Ein RMS - Wert von beispielsweise 0,22 mm bedeutet eben nicht auto-<br />
matisch eine Ansteuergenauigkeit der Zielstrukturen von 0,22 mm [45].<br />
1.4 <strong>Technische</strong> Möglichkeiten zur Instrumentennavigation<br />
Im folgenden Abschnitt wird ein kurzer Überblick über die technologischen Verfahren<br />
gegeben, die denkbare Lösungswege für die intraoperative Instrumentennavigation<br />
schaffen könnten. Dabei wird im Folgenden noch oft der Terminus Tracking verwen-<br />
det, der in der Fachsprache die Erfassung einer räumlichen Lage oder Position be-<br />
schreibt. Grundsätzlich zu unterscheiden sind:<br />
• elektromechanische Systeme<br />
• akustische Systeme (berührungslos)<br />
• elektromagnetische Systeme (berührungslos)<br />
• optische Systeme (berührungslos)<br />
• Kombinationen, so genannte hybride Systeme (z.B. Kopplung von magne-<br />
tisch und optischer Systemgrundlage)<br />
11
1.4.1 Elektromechanische Verfahren<br />
Die elektromechanischen Systeme, die einen beweglichen Gelenkarm zur Orientierung<br />
im Raum nutzen, wie z.B. die Viewing Wand, sind nur noch gelegentlich im klini-<br />
schen Einsatz. Die Viewing Wand arbeitet auf Grundlage eines in allen räumlichen<br />
Ebenen frei zu bewegenden, ausbalancierten mechanischen Armes. Diese Viel-<br />
gelenkarme verfolgen die Lage der Instrumente durch einen direkten mechanischen<br />
Kontakt zu denselben [85]. Die Lageermittlung erfolgt durch den Einsatz von Win-<br />
kelmessgebern (Potentiometern), die die Verdrehung zweier benachbarter Arme zu-<br />
einander bestimmen. Die Veränderungen dieser Gelenke werden entsprechend regist-<br />
riert und im Computer in Raumkoordinaten umgerechnet. Der gelenkige Messarm<br />
trägt an seiner Spitze eine starre Sonde.<br />
Die Referenzierung des Patienten kann hier nur statisch über eine starre verwindungs-<br />
freie Verbindung zum Patienten realisiert werden. Die Handhabung der chirurgischen<br />
Instrumente durch einen Vielgelenkarm ist allerdings erheblich eingeschränkt, so dass<br />
diesen Navigationssystemen heute kaum noch praktische Bedeutung zukommt.<br />
Abb. 2: Schema der mechanischen Navigation<br />
Eine weitere Form des mechanischen Trackings stellt auch der stereotaktische Rahmen<br />
dar. Durch die Verschraubung des Rahmens am Kopf des Patienten kann eine rigide<br />
Verbindung hergestellt werden. Der Rahmen dient dann als Referenzbasis und zur<br />
Instrumentenführung. Die grundsätzlichen Vorteile eines rein mechanischen Navi-<br />
gationssystems liegen in der Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie<br />
12
Temperatur, Beleuchtung, Luftfeuchtigkeit und Magnetfelder. Als limitierender Fak-<br />
tor muss die massive Bewegungseinschränkung des Chirurgen und die in jedem Fall<br />
erforderliche Fixierung des Patienten gesehen werden.<br />
Unter den berührungslos arbeitenden Navigatoren unterscheidet man solche, welche<br />
die Instrumentenlage akustisch, elektromagnetisch oder optisch messen.<br />
1.4.2 Akustische Systeme<br />
Akustische Navigatoren arbeiten im Ultraschallbereich oberhalb 20 kHz und basieren<br />
auf der Laufzeitmessung von Schallwellen. Schallsender, spezielle Lautsprecher, die<br />
auf den Instrumenten montiert sind, emittieren Schallwellen unterschiedlicher Fre-<br />
quenz, die von einer Reihe im Operationssaal angeordneter Mikrophone empfangen<br />
werden. Durch die Laufzeitunterschiede, der von den verschiedenen Mikrophonen<br />
empfangenen Signale, lässt sich im Triangulationsverfahren die genaue Position des<br />
Schallsenders bestimmen. Um daraus die Orientierung eines Instrumentes ableiten zu<br />
können, ist ein Satz von drei Sendern pro Instrument erforderlich. Obwohl dieses Sys-<br />
tem eine Reihe von Vorteilen im Labor aufweist (Schnelligkeit, Genauigkeit), ist die<br />
praktische Anwendbarkeit beschränkt. Schallwellen lassen sich leicht ablenken und<br />
sind in ihrer Laufzeit von der Lufttemperatur abhängig. Da es aus den genannten<br />
Gründen häufig zu Fehlmessungen kommen kann, wird diese Technologie kaum noch<br />
eingesetzt.<br />
In Bezug auf den Einsatz in der dentalen Implantologie würde sich ein zusätzliches<br />
Problem, das die Betriebssicherheit der Sensoren betrifft, ergeben. So könnten beim<br />
Betrieb von Bohrwerkzeugen Oberwellen auftreten, die bis in den Bereich der Sende-<br />
frequenz von Ultraschallgebern hinaufreichen [103].<br />
1.4.3 Elektromagnetische Positionssensoren<br />
Bei der auf Magnetfeldern beruhenden Messung der Sensorenlage werden mit Hilfe<br />
von mehreren Sendeantennen (Spulen) magnetische Felder mit definierten Ausrich-<br />
tungen aufgebaut.<br />
Elektromagnetische Systeme bestehen aus einem Generator, der ein homogenes Mag-<br />
13
netfeld aufbaut, und einem Sensor, dessen Lage in diesem Feld festzustellen ist. Wird<br />
eine Empfängerantenne mit mehreren Spulen im elektromagnetischen Feld platziert,<br />
so entsteht beim Aufbau des äußeren Magnetfeldes durch Induktion ein Strom in jeder<br />
der Empfängerspulen. In der Praxis werden drei orthogonale Magnetfelder gebildet,<br />
und für jedes Feld wird der Induktionsstrom in ebenfalls drei orthogonalen Em-<br />
pfängerspulen gemessen. Die daraus resultierenden 9 Messwerte beschreiben die je-<br />
weilige Winkellage des Sensors. Die Bestimmung der Entfernung geschieht über die<br />
Signalstärke der Induktionsströme, die mit zunehmender Entfernung vom Sender ex-<br />
ponentiell abnimmt.<br />
Derzeit sind einige solcher Systeme, die mit leichten Abwandlungen des beschriebe-<br />
nen Funktionsprinzips arbeiten, verfügbar [13]. Ein Beispiel eines auf elektromagneti-<br />
scher Basis arbeitenden Systems ist der 3-Space Digitizer von der Firma Polhemus.<br />
Die Raumposition einer Messsonde wird aus den Potentialänderungen eines elektro-<br />
magnetischen Feldes abgeleitet. Die Sensoren, die an den zu ortenden Objekten befes-<br />
tigt werden, sind etwa 1,5 cm groß. Die Ortsauflösung bei der Positionsbestimmung<br />
wird mit 0,2 mm angeben. Die Winkelauflösung wird vom Hersteller mit 0,5 Grad<br />
spezifiziert. Diese Genauigkeiten soll in einem Radius von einem Meter um die An-<br />
tenne erreicht werden.<br />
Abb. 3: Prinzip eines elektromagnetischen Systems<br />
14
Vorteile dieser Methode sind, eine relativ preisgünstige Hardware und dass kein di-<br />
rekter Sichtkontakt zwischen Generator und Sensor bestehen muss. Dies ist bei den<br />
akustischen und den nachfolgend beschriebenen optischen Navigationssystemen nicht<br />
der Fall. Demgegenüber steht jedoch, dass sich die Homogenität des erzeugten Mag-<br />
netfeldes durch metallische Gegenstände leicht beeinträchtigen lässt. So gilt es bei-<br />
spielsweise sicherzustellen, dass das Kopfteil des Operationstisches aus besonderem,<br />
nicht magnetischen Material hergestellt ist. Die während der Navigation verwendeten<br />
Instrumente dürfen nicht zu große Mengen an magnetisierbaren Materialien mit in das<br />
Operationsfeld bringen. Durch solche Artefakte reduziert sich die brauchbare Messge-<br />
nauigkeit des Navigationssystems nicht unerheblich. Die Messabweichungen können<br />
dann im Zentimeterbereich liegen. Seipel setzte im Rahmen eines in vitro Experimen-<br />
tes ein magnetisches System zur navigierten Insertion von dentalen Implantaten ein<br />
[103]. Die Sendeantenne wurde dabei in der Nähe der Nackenstütze des Behandlungs-<br />
stuhles befestigt. Winkelstück und Unterkiefer sind mit Sensoren ausgestattet. Amiot<br />
beschreibt ein weiteres System in der Wirbelsäulenchirurgie, das auf diesem Prinzip<br />
beruht [5].<br />
1.4.4 Optische 3D-Positionsbestimmungsverfahren<br />
Das optische Tracking basiert auf dem Prinzip der Stereokorrespondenzanalyse, bei<br />
der 2 oder mehrere Videokameras zur Überwachung einer Szene von verschiedenen<br />
Beobachtungspunkten aus eingesetzt werden. Durch bildverarbeitende Prozesse wer-<br />
den anschließend definierte Referenzpunkte in den Videobildern erkannt und mit dem<br />
gespeicherten Bilddatensatz korreliert.<br />
Um die Bildverarbeitung zu erleichtern, werden beim optischen Tracking häufig Leu-<br />
chtdioden im Infrarotbereich oder passiv reflektierende kontrastreiche Objekte als<br />
Referenzmarker eingesetzt, die bei der Überwachung mit Infrarotkameras eine einfa-<br />
che Bildsegmentierung erlauben [82]. Darüber hinaus werden optische Störeinflüsse<br />
im sichtbaren Spektrum durch die Verwendung von operationskompatiblem Infrarot-<br />
licht ausgeschaltet. Die von den Markern ausgesendeten Lichtwellen werden von ei-<br />
nem Kamerasystem registriert. Durch Analyse der dabei erkannten Stereodisparität<br />
kann auf die räumliche Position der Referenzpunkte geschlossen werden. Disparität<br />
15
eschreibt dabei den Versatz des Bildes von Kamera 1 gegenüber Kamera 2 in anderer<br />
Position und ist Grundlage für das stereoskopische Sehen bzw. Voraussetzung zur<br />
Berechnung der räumlichen Tiefe der Objekte im Raum (Abb. 4). Wie bei den akus-<br />
tischen Systemen sind 3 Punkte erforderlich, um nicht nur die Position des Instrumen-<br />
tes, sondern auch die Ausrichtung zu bestimmen.<br />
Bei passiven optischen Systemen wird infrarotes Licht von Sendern, die in der Nähe<br />
der aufnehmenden Kamera eingebaut sind, emittiert und von geeigneten Objekten (bei-<br />
spielsweise verspiegelten Kugeln) am Instrument reflektiert. Diese Reflektionen<br />
werden prinzipiell gleich wie bei den aktiven Systemen gemessen und vom Navigati-<br />
onscomputer für die Positionskoordinaten des Instrumentes benutzt.<br />
Die Verwendung von passiven Systemen erlaubt es, Instrumente ohne Kabel zu gestal-<br />
ten, wodurch sich das intraoperative Handling wesentlich verbessert. Demgegenüber<br />
steht jedoch der Nachteil einer etwas geringeren Genauigkeit im Vergleich zu Sys-<br />
temen mit aktiven (selbst Licht emittierenden) Markersystemen. Auf der Grundlage<br />
von reflektierenden Kugeln arbeitet das passive System VectorVision der Firma Brain-<br />
Lab.<br />
Abb. 4: Bildentstehung im Kamerasystem durch Phasenverschiebung<br />
16
Es gibt derzeit 2-Kamera oder 3-Kamera- 3D-Digitizer. Bei den 2-Kamera-Systemen<br />
handelt es sich um flächige Detektoren, die über den Schnittpunkt zweier Geraden im<br />
Raum die Position eines Punktes im Raum feststellen. Das 3D-Kamera-System ver-<br />
wendet Zeilenkameras, die über den Schnittpunkt dreier Ebenen im Raum die Koordi-<br />
naten einer Leuchtdiode bzw. eines Lichtreflexes im Raum bestimmen. Unterschied-<br />
liche Emissionsmuster und unterschiedliche Anordnung von Licht emittierenden Dio-<br />
den (LED) erlauben die gleichzeitige Verwendung verschiedener Instrumente. Der<br />
Abstand der LED und die Geometrie ihrer Anordnung müssen unbedingt konstant<br />
bleiben, um die Kalibrierung der Sonde oder des spezifischen Instrumentes zu garan-<br />
tieren. Deshalb dürfen bei der Reinigung und sterilen Aufbereitung des Instrumentari-<br />
ums die Halterungen oder die reflektierenden Kugeln nicht verbogen oder beschädigt<br />
werden.<br />
Die Genauigkeit von optischen Systemen wird heute von keinem anderen berührungs-<br />
losen System überboten. Einer der Nachteile des optischen Trackings besteht in der<br />
Notwendigkeit, dass die Sichtlinie zwischen beiden Kameras und den zu erfassenden<br />
Objekten nicht gestört werden darf. Dies erfordert im Operationsablauf ein sehr dezi-<br />
diertes Bewegungsverhalten. Die Übersichtlichkeit des Operationsfeldes ist zudem<br />
durch Kabel an Instrumenten und Referenzrahmen eingeschränkt. Die Anwendung von<br />
optischen Trackingverfahren wird gegenwärtig von vielen Herstellerfirmen im Bereich<br />
der computergestützten Chirurgie favorisiert. Der in den nachfolgenden Untersu-<br />
chungen verwendete Surgical Tool Navigator (STN) ist ein aktives, auf Infrarotsenso-<br />
ren basierendes System. Als weitere auf optischen Tracking basierende Systeme kön-<br />
nen das Easy-Guide System von der Firma Philips, das Smarter Vision der Firma<br />
Stryker-Leibinger und das Surgical Planning and Orientation Computer System<br />
(SPOCS) der Firma Aesculap genannt werden.<br />
1.4.5 Navigationsroboter und navigierte Mikroskope<br />
Zusätzlich zu den bisher genannten Systemen wurden Navigations- und Robotiksyste-<br />
me zum Halten und Positionieren von Mikroskopen entwickelt. Ebenfalls basierend<br />
auf einem präoperativ aufgenommenen Datensatz kann der Chirurg die Blickrichtung<br />
des Mikroskopes planen. Derzeit gibt es zwei kommerziell vertriebene Robotiksyste-<br />
17
me: der Mehrkoordinatenmanipulator (MKM), Firma Zeiss und das SurgiScope, Fir-<br />
ma Elektra SA, Schweden. Beide Systeme messen Koordinaten im Raum mit einem<br />
Roboter und steuern geplante Zielpositionen und Zielwege an.<br />
Zum Bestimmen von Messpunkten verwenden beide Systeme den Fokuspunkt eines<br />
Mikroskopes. Beim MKM-System hängt die Mikroskopeinheit an einem fahrbaren<br />
massiven Roboterarm, beim SurgiScope an einer recht aufwendigen Deckenkonstruk-<br />
tion (Abb. 5). Der MKM ist auch zu den optisch geleiteten Systemen zu rechnen. Der<br />
Blick des Operateurs fällt dabei durch das Okular auf die Oberfläche des Operationssi-<br />
tus. Der räumliche Umriss der Zielstruktur (z.B. Tumor oder Fremdkörper) sowie die<br />
Entfernungsangaben werden in das mikroskopische Bild eingespiegelt. Das MKM-<br />
System navigiert berührungslos über Distanzmessungen mittels Infrarot-Laser-<br />
Leitstrahl und Autofokussystem.<br />
Abb. 5: SurgiScope rechts oben im Bild (Deckeninstallation, Charité, Berlin)<br />
Beim Surgical Microscope Navigator (SMN), ebenfalls von der Firma Zeiss, wurde<br />
ein Infrarot-Lokalisationssystem mit einem Laserautofokussystem kombiniert.<br />
Die Raumlage des Mikroskoptubus wird dabei von Infrarotsendern definiert. Der Ein-<br />
satz dieser navigierbaren Operationsmikroskope ist weitgehend auf Indikationen in der<br />
Neuro- und Schädelbasischirurgie konzentriert.<br />
18
1.4.6 Hybride Verfahren<br />
Unter diesen Systemen versteht man die gleichzeitige Verwendung von zwei unter-<br />
schiedlichen technologischen Lösungen zur Positionsbestimmung im Raum. So wäre<br />
zum Beispiel die gleichzeitige Implementierung eines magnetischen und eines passiven<br />
optischen Systems sinnvoll. Dies hätte zum Vorteil, dass die jeweiligen Nachteile der<br />
einzelnen Verfahren sich aufheben könnten. So werden die direkten Sichtprobleme des<br />
optischen Digitizers vermieden. Bei magnetischen Systemen kann bei einer solchen<br />
Hybridlösung der Einfluss magnetisierender Materialien weitgehend ausgeschaltet<br />
werden. So wäre eine zuverlässige intraoperative Verwendung unabhängig von Sicht-<br />
problemen oder Materialwahl möglich. Systeme dieser Art sind allerdings noch im<br />
experimentellen Stadium und weder zertifiziert noch sind sie kommerziell erhältlich.<br />
19
1.5 Planungsverfahren in der dentalen Implantologie<br />
1.5.1 Stand der Forschung<br />
Enossale dentale Implantate sind heute ein wissenschaftlich etabliertes und integriertes<br />
Behandlungskonzept zur Wiederherstellung der Kaufunktion mit herausnehmbaren<br />
oder festsitzenden implantatgestützten Zahnersatz. In verschiedenen klinischen Studien<br />
konnten ihre hohe Erfolgssicherheit und die indikationsabhängigen Vorteile gegenüber<br />
konventionellen prothetischen Versorgungsalternativen dokumentiert werden. Darüber<br />
hinaus sind in den vergangenen 15 Jahren Versorgungskonzepte bei ungünstigen mor-<br />
phologischen Voraussetzungen erarbeitet worden. Enossale Implantate dienen auch zur<br />
funktionellen und ästhetischen Wiederherstellung angeborener und erworbener Hart-<br />
und Weichgewebsdefekte des Gesichtschädels [84].<br />
Die Implantologie war in der Zahnheilkunde lange Zeit die Domäne von Spezialisten.<br />
Heute jedoch ist sie zunehmend für den allgemeintätigen Zahnarzt von Interesse.<br />
Gleichzeitig trägt auch das Wissen der Patienten über die besseren Möglichkeiten der<br />
Implantatversorgung und die wachsenden Ansprüche an die Qualität der zahnärztli-<br />
chen Behandlung zur weiteren Verbreitung der Implantate bei. Der Implantatersatz im<br />
Lückengebiss rehabilitiert nicht nur Kaufunktion, sondern trägt entscheidend zum Er-<br />
scheinungsbild des gesamten orofacialen Systems bei. Oftmals wird durch den Implan-<br />
tatersatz ein Beschleifen gesunder Zahnhartsubstanz der Nachbarzähne verhindert.<br />
Beim zahnlosen Patienten kann durch die Versorgung mit implantatverankerten Pro-<br />
thesen auch in schwierigen Situationen wieder eine optimale Kaufunktion erreicht<br />
werden.<br />
Erste Berichte über implantologische Techniken finden sich im 5. bis 6. Jahrtausend<br />
vor Christus. Bei näherer Betrachtung handelt es sich jedoch zumeist um Fallberichte<br />
von autologen, homologen oder heterologen Zahntransplantationen oder Retransplan-<br />
tationen. Die ersten enossalen Implantationsversuche im 19. Jahrhundert waren in der<br />
Regel Sofortimplantate, die unmittelbar nach der Extraktion aus alloplastischem Mate-<br />
rial eingebracht wurden. Greenfield setzte im Jahre 1913 ein korb- bzw. wurzelge-<br />
formtes Hohlimplantat aus einer Platin-Iridium-Legierung als enossales Implantat ein.<br />
20
Stock verwendete eine Schraube aus rostfreiem Stahl und beschrieb erstmals die Not-<br />
wendigkeit einer korrekten Okklusion des Implantates für den Langzeiterfolg. Ende<br />
der 30er Jahre wurden in der wiederherstellenden Chirurgie die Metalle Chrom, Ko-<br />
balt und Molybdän eingeführt. Auch die zahnärztliche Implantologie bediente sich<br />
dieser Metalle und ihrer Legierungen. Der Beginn der heutigen enossalen Implantolo-<br />
gie ist eng mit dem Namen Formigini verbunden, der eine Schraube aus Tantal emp-<br />
fahl.<br />
Sowohl das heute überwiegend als Werkstoff verwendete Reintitan als auch wichtige<br />
Erkenntnisse zum Einheilungsverhalten der Implantate gehen auf Brånemark zurück.<br />
Er prägte den Terminus Osseointegration und forderte als einer der Ersten steriles<br />
Vorgehen und sterile Implantate. Das von ihm entwickelte Implantatsystem besteht aus<br />
einer Reintitanschraube und ist bis heute nur geringfügig modifiziert worden [22].<br />
1977 berichtete Brånemark über eine 10 Jahre dauernde Langzeitstudie, bei der Er-<br />
folgsraten von 90% erzielt wurden, wenn die Implantationen von erfahrenen Chirur-<br />
gen durchgeführt wurden [15]. 1986 publizierten Albrektsson et al. eine Studie mit<br />
nicht selektierten Patienten, bei der eine Erfolgsrate von 85% nach 5 Jahren Beobach-<br />
tungszeit und eine Erfolgsrate von 80% nach 10 Jahren Insertionszeit festgestellt wur-<br />
de [2].<br />
1.5.2 Implantatplanung<br />
Erfolg und Misserfolg der implantatprothetischen Versorgung sind von einer Vielzahl<br />
von Faktoren hinsichtlich der Diagnose, Therapieplanung und Durchführung der Im-<br />
plantation abhängig.<br />
Als entscheidende Voraussetzung für die Erfolgssicherheit enossaler Implantate gilt<br />
das Prinzip der Osseointegration. Das heißt, die direkte strukturelle und funktionelle<br />
Verbindung zwischen dem Knochen des Implantatlagers und der Oberfläche des Im-<br />
plantates. Eine der wichtigsten Bedingungen für die erfolgreiche Implantation und<br />
Osseointegration ist in der exakten Positionierung des Implantates zu sehen. Die Im-<br />
plantatachsen sollten dabei orthogonal zur Kauebene stehen. In dieser Position werden<br />
die Kaukräfte optimal an den Knochen weitergegeben und auftretende Biegemomente<br />
minimiert [16, 18]. Die Winkelabweichung zwischen den einzelnen Implantaten sollte<br />
21
minimal sein, um Scherkräfte zu vermeiden. Bei der Planung der Implantate müssen<br />
darüber hinausgehend anatomische Risikoregionen berücksichtigt werden. Im Unter-<br />
kiefer betrifft das vor allem den Nervus alveolaris inferior, im Oberkiefer besteht die<br />
Gefahr einer Kommunikation in die Kieferhöhle. Ferner ist eine zu weit lingual oder<br />
buccal liegende Positionierung und damit eine Perforation des Knochens zu vermei-<br />
den.<br />
Der Erfolg des Implantatzahnersatzes hängt nicht nur von der richtigen Lage des Im-<br />
plantates gegenüber dem Kieferknochen ab, vielmehr muss eine aus funktioneller und<br />
ästhetischer Sicht ideale Position gefunden werden, die entscheidend von der protheti-<br />
schen Konstruktion beeinflusst wird. Die Berücksichtigung all dieser Bedingungen<br />
stellt nicht selten einen Kompromiss dar, ist aber für das Gelingen von elementarer<br />
Bedeutung.<br />
Der Forschungsschwerpunkt hat sich seither immer mehr zu der Aufgabenstellung hin<br />
verlagert, eine chirurgisch sichere Implantation mit einem optimalen prothetischen<br />
Ergebnis zu verbinden. Über die komplexen Behandlungsfälle hinaus ist eine sorgfäl-<br />
tige präoperative Diagnostik unter gleichwertiger Einbeziehung chirurgischer und pro-<br />
thetischer Gesichtspunkte heute Standard.<br />
1.5.3 Konventionelle Methoden der Implantatplanung<br />
Die Planung intraoraler Implantate geschieht nach konventioneller Methodik anhand<br />
von individuellen Studienmodellen. Unter Verwendung eines Artikulators verbunden<br />
mit einer Gesichtsbogenregistrierung kann die sagittale und transversale Lage von<br />
Ober- und Unterkiefer analysiert und die Richtung und Positionierung der Implantate<br />
geplant werden. Um die prothetische Situation, insbesondere die okklusalen Verhält-<br />
nisse, besser darzustellen, können auf dem Situationsmodell bereits Zähne aufgestellt<br />
und ein sogenanntes Wax-up hergestellt werden.<br />
Für die folgende radiologische Diagnostik wird eine Tiefziehschablone von diesem<br />
Situationsmodell angefertigt. An den geplanten Implantatpositionen wird die Planungs-<br />
schiene meist mit metallischen Kugeln oder auch Bohrhülsen versehen. Diese Schab-<br />
lonen dienen sowohl der Darstellung der Implantatposition in der Röntgendiagnostik<br />
als auch der Ausrichtung der Bohrinstrumente während des späteren operativen Ein-<br />
22
griffs. Die radiologische Diagnostik wird mit intraoral in situ befindlicher Schablone<br />
durchgeführt. Die Röntgendiagnostik beschränkt sich häufig auf das Orthopanto-<br />
mogramm (OPG). Seltener werden Fernröntgenaufnahmen, Zahnfilme und konventio-<br />
nelle Schichtaufnahmen und Computertomographie-Aufnahmen in die präoperative<br />
radiologische Diagnostik einbezogen. Auf Grundlage dieser Vorbereitungen werden<br />
Aussagen über qualitative und quantitative Knochenverhältnisse getroffen sowie der<br />
optimale Durchmesser, die Länge und die Neigung des Implantates bestimmt.<br />
In der Standard OPG-Aufnahme kommt es zu Winkelverzerrungen des Röntgenbildes,<br />
die von Samfors und Welander beschrieben wurden [92]. Inkorrekte Positionierung<br />
des Patienten im Gerät erzeugt zusätzliche, nicht abschätzbare Verzerrungen, die be-<br />
sonders die horizontale Dimension betreffen. Die Breite einer Lücke ist im OPG we-<br />
gen der variablen Vergrößerung in horizontaler Richtung höchstens abschätzbar. Be-<br />
reits eine Vor- oder Rückverlagerung des Patienten um 5 mm, eine leichte Drehung<br />
aus der Mediansagittalebene führt zu einer Veränderung des horizontalen Vergröße-<br />
rungsfaktors in Bereiche zwischen 1,1 und 1,6 :1 [38]. Engelmann schlägt deshalb<br />
vor, aus den horizontalen und vertikalen Radien der Kugelprojektion einen vertikalen<br />
Skalierungsfaktor zu berechnen, der dann in die Vermessung der Knochenhöhe ein-<br />
fließt. Dies stellt jedoch nur eine Annäherungslösung dar, wenn berücksichtigt wird,<br />
dass selbst die horizontale Dimension im OPG nicht mit den realen metrischen Größen<br />
übereinstimmt [22]. Weiterhin besteht im OPG und bei der Fernröntgenaufnahme das<br />
Problem von Doppelprojektionen. Dabei wird von anatomisch nicht in der Schicht<br />
liegenden Regionen ein Schatten über die Strukturen von Interesse geworfen.<br />
Die Darstellung der oro-vestibulären Knochenstruktur kann durch konventionelle<br />
Transversalschnitt-Tomographieverfahren erreicht werden. Diese transversalen<br />
Schichtaufnahmen basieren auf dem gleichen technischen Prinzip wie das OPG. Ihnen<br />
sind deshalb ähnliche systematische und zufällige Darstellungsfehler eigen. Die Ver-<br />
fahren werden entweder mit speziellen Röntgengeräten (z.B. Scanora, ISI, Comm-<br />
CAT) oder mit speziellen Programmen des OPG-Gerätes durchgeführt. Schichtdimen-<br />
sionen bis zu minimal 1 mm erlauben die Bewertung der Situation genau am vorgese-<br />
henen Implantationsort. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Toleranz gegenüber<br />
Metallartefakten. Die Nachteile der konventionellen Tomographieverfahren bestehen<br />
darin, dass die Bilder technisch bedingt relativ unscharf erscheinen und dass es größe-<br />
23
er Erfahrung bedarf, auswertbare Schichtbilder zu erhalten.<br />
Neben den geometrischen Verzerrungen und den vielfältigen Doppelprojektionen ha-<br />
ben fast alle Methoden der oralen Radiographie den Nachteil, die anatomischen Struk-<br />
turen nur in einem zweidimensionalen Bild wiederzugeben. Das häufige Fehlen der<br />
dritten Dimension hat zur Konsequenz, dass über die klinische Untersuchung hinaus<br />
das buccolinguale Knochenangebot und die Qualität des Knochens nicht beurteilt wer-<br />
den können. Nicht selten stellt sich erst intraoperativ heraus, dass der Knochen zu<br />
schmal oder wegen seiner Form nicht zur Implantation geeignet ist. In Unkenntnis der<br />
dritten Dimension müssen so Sicherheitsabstände einkalkuliert werden, und die tat-<br />
sächlich vorhandene Knochensubstanz kann nicht optimal genutzt werden [46]. Das<br />
Fehlen der räumlich dynamischen Information über Knochenstrukturen, die geplante<br />
Implantatachse und die Okklusionsebene kann zu Fehlpositionierungen und damit zu<br />
erheblichen Problemen bei der späteren prothetischen Rekonstruktion führen.<br />
1.5.4 CT-basierte dreidimensionale Implantatplanung<br />
Um den im vorangegangenen Absatz geschilderten Problemen entgegenzuwirken,<br />
wird bei zweifelhaftem Knochenangebot vorgeschlagen, die Computertomographie<br />
auch für die Planung von dentalen Implantaten zu nutzen. Bisher wurden allerdings<br />
vorwiegend die vom Computertomographen angebotenen Standardprotokolle und das<br />
ausgedruckte Bildmaterial zur Planung und Diagnose herangezogen [115].<br />
Spezielle Dental-Programme, die meist vom Hersteller des Computertomographen<br />
angeboten werden, erlauben auf Grundlage von frei wählbaren Schnitten eine wesent-<br />
lich subtilere Darstellung. So ist es beispielsweise möglich, mit dem OPG vergleich-<br />
bare Schichten zu wählen. Bei der Auswahl der Implantatposition kann bei Bedarf<br />
durch eine nahezu unbegrenzte Anzahl fein abgestufter Quer- und Panoramaschichten<br />
geblättert werden. Die Dental-Softwaremodule sind wegen des hohen Rechenleis-<br />
tungsbedarfs meist mit dem Computertomographen gekoppelt. Als Untersuchungser-<br />
gebnis stehen dem Behandler wegen der räumlichen Trennung vom Radiologen dann<br />
nur eine größere Zahl von Röntgenfilmen zur Verfügung. Eine interaktive Arbeitswei-<br />
se und eine dynamische Untersuchung der gewonnenen CT-Daten im Hinblick auf<br />
räumliche Knochenstruktur, Biomechanik und prothetischer Planung ist auf Grundlage<br />
24
dieses ausgedruckten Bildmaterials kaum möglich.<br />
In jüngster Zeit wurden Softwareprogramme entwickelt, die inzwischen eine dreidi-<br />
mensionale interaktive Planung der Implantatposition am Computerbildschirm ermög-<br />
lichen und die genannten Belange der oralen Implantologie berücksichtigen. Die Soft-<br />
ware ist meist auf gängigen Personalcomputern lauffähig und in der Lage, den bei der<br />
CT-Untersuchung erstellten Datensatz weiterzuverarbeiten. Die folgende Abb. 6 zeigt<br />
exemplarisch das Friacom CT-Modul der Firma Friadent.<br />
Die Software bietet Planungshilfen durch eine multiplanare Darstellung, aber keine<br />
echte 3D-Bildgebung. Ansichtsebenen, Schnitte und Bilder sind miteinander verbun-<br />
den und lassen sich in unterschiedlichster Art, auch vergrößert oder nebeneinander,<br />
darstellen. Berechnungen im Programm sind erstmals maßhaltig und können bei-<br />
spielsweise auf ein Modell übertragen werden.<br />
Ein neues, innovatives Planungsprogramm wird durch die Firma Materialise, Belgien<br />
angeboten (Abb. 7).<br />
Über die bereits oben beschriebenen Funktionen hinaus ermöglicht die Software Sur-<br />
giCase light auch eine dreidimensionale Darstellung. Die wesentlich komplexere Pla-<br />
nung wird durch eine Segmentierung der Nachbarzähne und des Gegenkiefers mög-<br />
lich. Die Implantate lassen sich virtuell positionieren.<br />
Abb. 6: Friacom CT-Modul, longitudinaler Schnitt durch den Oberkieferalveolarfortsatz<br />
mit noch nicht exakt positionierter Bohrhülse (blaue Achse). Zur korrekten Implantation<br />
wäre eine Korrektur in der rot markierten Achse notwendig.<br />
25
Abb. 7: Das SurgiCase light Implantatplanungsprogramm ermöglicht die stereolithographische<br />
Herstellung von Planungsschienen<br />
Die Übertragung der Planungsdaten erfolgt über die stereolithographische Herstellung<br />
einer Bohrschablone, die mit Metallhülsen versehen werden kann.<br />
Die Verwendung von Implantatschablonen mit Bohrhülsen aber scheitert beispielswei-<br />
se, wenn sich die Notwendigkeit intraoperativer Korrekturen ergibt. Auch die Aus-<br />
richtung und Richtungskorrektur der Bohrhülsen sind bereits in der Planungsphase mit<br />
Fehlern und erheblichen Problemen behaftet. Um die korrekte Position der Führungs-<br />
hülsen zu prüfen, sind nicht selten erneute Röntgenaufnahmen erforderlich. Die Über-<br />
tragung der korrigierten Hülsenposition geschieht nach Augenmass und ist sehr unge-<br />
nau. Während der Implantatinsertion ergeben sich zusätzliche Fehler durch das Boh-<br />
rerspiel in der Führungshülse. Um diesen Fehler zu reduzieren, können entsprechend<br />
längere Bohrhülsen verwendet werden. Jedoch ist der Einsatz dieser verlängerten<br />
Bohrhülsen bereits bei normaler Mundöffnung durch die Summe von Hülsenlänge und<br />
Bohrerlänge besonders im Seitenzahngebiet eher selten möglich.<br />
Generell fehlt zum gegenwärtigen Zeitpunkt ein suffizientes Verfahren, die Operati-<br />
onsplanung exakt und reproduzierbar in den Operationssitus zu übertragen. Das be-<br />
deutet zugleich, dass die im Rahmen der Operationsplanung und Simulation erworbe-<br />
nen Informationen während des operativen Vorgehens nicht voll ausgeschöpft werden<br />
können.<br />
26
Der Einsatz eines Navigationssystems könnte die Vorteile moderner CT-gestützten<br />
Implantatplanung und der zielgerichteten Insertion des Implantates in einem Prozess<br />
vereinigen.<br />
Deshalb wird die vorliegende Arbeit die prinzipielle Eignung und die Genauigkeit des<br />
derzeit kommerziell erhältlichen Navigationssystems STN (Surgical Tool Navigator,<br />
Firma Carl Zeiss, Oberkochen) in Verbindung mit der Navigationssoftware STP Ver-<br />
sion 4 (Firma Leibinger, Freiburg) für den Einsatz in der dentalen Implantologie un-<br />
tersuchen.<br />
Die vorgestellte experimentelle Untersuchung soll über die systemimmanente Unge-<br />
nauigkeit hinaus die gesamte mögliche Fehlerbreite des Verfahrens, beginnend bei der<br />
Aufnahme im Computertomogramm bis hin zur navigationsgestützen Implantatinserti-<br />
on erfassen. Neben der Fehleranalyse wird ein in vivo praktikabler Handlungsablauf<br />
für die computerassistierte dentale Implantatinsertion aufgezeigt.<br />
27
2 MATERIAL UND METHODE<br />
2.1 Übersicht über den Ablauf der Phantomstudie<br />
In Vorbereitung der Untersuchungen wurde nach einer realitätsorientierten Methode<br />
gesucht, die den klinischen Ablauf der navigationsgestützten Implantatinsertion weit-<br />
gehend simuliert und gleichzeitig eine exakte Überprüfung der erreichbaren Genauig-<br />
keit zulässt. Als Modelle für die Phantomstudie wurden anatomisch originalgetreu<br />
nachgebildete Kunststoffunterkiefer mit anteriorer Restbezahnung gewählt.<br />
Um die technische Realisierbarkeit und die erreichbare Genauigkeit ausreichend evalu-<br />
ieren zu können, wurde die Studie an 20 Unterkieferkunststoffmodellen durchgeführt.<br />
Dazu wurden je Unterkieferkunststoffmodell 5 IMZ – Implantate geplant und an-<br />
schließend navigationsgestützt in die Modelle eingebracht.<br />
Für die Bestimmung der Abweichung von Planung und Insertionsergebnis wurde ein<br />
Softwaremodul des Navigationssystems genutzt, das die Fusion verschiedener Daten-<br />
sätze erlaubt. Auf diese Weise konnten die Implantatpositionen im Planungsdatensatz<br />
mit den realen Positionen im postoperativ angefertigten Datensatz metrisch verglichen<br />
und ausgemessen werden.<br />
Die folgende Abbildung (Abb. 8) skizziert das Vorgehen der Phantomstudie im Sche-<br />
ma.<br />
28
Anatomisches Kiefermodell<br />
insgesamt 20 Modelle<br />
Anfertigung einer Miniplastschiene<br />
mit Titanschraubenmarkierungen<br />
Computertomographie der Modelle<br />
mit eingegliederter Schiene<br />
Implantatplanung<br />
am Monitor des Navigationssystems<br />
5 IMZ-Implantate je Kiefer<br />
Kalibrierung des Winkelstückes<br />
Kontrolle der Genauigkeit<br />
Registrierung der Modelle<br />
einschließlich Validierung des Bohrgerätes<br />
Navigationsgeführte Implantatinsertion<br />
5 IMZ-Implantate je Kiefer<br />
insgesamt Insertion von 100 Implantaten<br />
Erneute Computertomogaphie<br />
der Unterkiefermodelle mit Implantaten in situ<br />
unter den gleichen Scanbedingungen<br />
<strong>Image</strong>fusion<br />
von Planungsdatensatz und<br />
dem postoperativ angefertigten Datensatz<br />
Auswertung der Differenz zwischen Planung<br />
und Insertionsergebnis<br />
Metrische Bestimmung der Abweichung zwischen Planung<br />
und Insertionsergebnis in verschiedenen Schichten<br />
Abb. 8: Ablauf der Phantomstudie zum Vergleich von Planung und Insertionsergebnis dentaler<br />
Implantate<br />
2.2 Begründung der Geräteauswahl<br />
Die verwendete Navigationseinheit STN besteht aus einer CCD-Kamera, einem Navi-<br />
gationsmonitor und einem Computersystem. Die Lokalisation im Raum basiert beim<br />
STN-System auf Infrarotlicht emittierenden Leuchtdioden an den Operationsinstru-<br />
29
menten und Referenzsystem, deren Lichtimpulse von drei Linearkameras aufgenom-<br />
men werden. Abb. 9 zeigt das System. Oben im Bild die Kameraeinheit mit den Line-<br />
arkameras [26].<br />
Abb. 9: Navigationssystem STN mit Kameraeinheit (Quelle Zeiss)<br />
Durch Marmulla wurde die systemimmanente Präzision verschiedener kommerzieller<br />
Navigationsgeräte an einem geometrischen Modell bestimmt. Dazu wurden Messpunk-<br />
te bekannter Länge angefahren und jeweils die Differenzstrecke zwischen errechneter<br />
und gemessener Position ermittelt. Es wurden die folgenden Systeme verglichen [72,<br />
75]:<br />
Navigationssystem Median der Abweichung größte Differenzstrecke<br />
Viewing Wand® 0,5 mm 1,6 mm<br />
3-Space Digitizer 3,6 mm 19,2 mm<br />
STN 0,1 mm 0,5 mm<br />
SMN 0,4 mm 1,0 mm<br />
MKM 0,1 mm 0,7 mm<br />
Tab. 1: Vergleich der Präzision verschiedener Navigationssysteme (Marmulla [72])<br />
30
Hinsichtlich Flexibilität und Genauigkeit war die Aufgabe der navigierten Planung und<br />
Insertion von dentalen Implantaten nur mit dem Surgical Tool Navigator durchführ-<br />
bar. Die Entwicklung des Systems ist aus unserer Sicht für den Einsatz in der Mund-,<br />
Kiefer- und Gesichtschirurgie am weitesten fortgeschritten. Die aktuelle Softwarever-<br />
sion STP 4 verfügt über ein Modul aus der Wirbelsäulenchirurgie, das die Planung<br />
und navigationsgestützte Insertion von Osteosyntheseschrauben ermöglicht. Die Basis-<br />
software des STN lässt sich durch ein spezielles mund- kiefer- und gesichtschirurgi-<br />
sches Modul ergänzen, dass die Rekonstruktion von Mittelgesichtsschädelfrakturen<br />
durch virtuelle Spiegelung der Gegenseite erlaubt. Der Entwicklungsstand des STN-<br />
Systems der Firma Carl Zeiss repräsentiert langjährige Erfahrung aus dem klinischen<br />
Einsatz von Navigationssystemen und navigierten Mikroskopen. Zudem wurde uns<br />
von Seiten des Herstellers die Bereitschaft entgegengebracht, gemeinsam an der Opti-<br />
mierung des Systems und an der systematischen Erweiterung des Indikationsspektrums<br />
zu arbeiten.<br />
Insgesamt stehen nur wenige Hersteller von dreidimensionalen Lokalisationssystemen<br />
für die Aufgabe der berührungslosen Instrumentennavigation zur Auswahl. Viele die-<br />
ser Systeme haben zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch mehr experimentellen Charak-<br />
ter.<br />
2.3 Markierungssystem<br />
Zur röntgensichtbaren Markierung und späteren Referenzierung wurde der zahntra-<br />
gende Alveolarfortsatz der 20 Unterkiefermodelle doubliert und je eine individuelle<br />
Miniplastschiene im Tiefziehverfahren hergestellt. In diese Miniplastschienen wurden<br />
Schraubenköpfe von Minititanschrauben, wie sie bei Osteosynthesen verwendet wer-<br />
den, einpolymerisiert. Dazu eignen sich insbesondere Schraubenköpfe mit Centre-<br />
Drive Ansatz, da sich hier der Mittelpunkt der Schraube sehr gut lokalisieren lässt<br />
(Abb. 10).<br />
31
Abb. 10: Unterkiefermodell mit Miniplastschiene und Centre-Drive Schraubenmarkierungen<br />
2.4 Datenakquisition im Spiral-CT<br />
Nach Vorbereitung der Modelle und Anfertigung der Markierungsschienen wurden die<br />
20 Kiefermodelle jeweils im CT gescannt. Alle Bilddaten wurden mit einem Philips<br />
SR 7000 generiert. Der verwendete Computertomograph und die eingesetzte Firmwa-<br />
re bieten kein spezielles Scanprotokoll für die dentale Implantologie.<br />
Die vorgestellten Untersuchungen wurden nach dem Protokoll Schichtkollimation 1,0<br />
mm, Tischvorschub 1,5 mm und Rekonstruktionsinkrement 1,0 mm (1,0-1,5-1,0)<br />
im Spiral-CT Modus gefahren. Die Winkeleinstellung der Scannereinheit (Gantry-<br />
Winkel) war bei allen Modelluntersuchungen stets 0°. Die Modelle wurden im CT so<br />
gelagert, dass die Kauebene parallel zur exakt vertikal stehenden Scannereinheit liegt.<br />
Da dieser Schritt der primären Datenerfassung und die Positionierung des Modells für<br />
die spätere Genauigkeit von entscheidender Bedeutung sind, soll auf die genannten<br />
Parameter und ihre Bedeutung näher eingegangen werden.<br />
Bei der Computertomographie entspricht der Grauwert eines Bildpunktes dem Aus-<br />
maß, in dem der Röntgenstrahl im entsprechenden Objektvolumen abgeschwächt wird.<br />
Der Grad der Abschwächung wiederum hängt von der lokalen Elektronendichte ab.<br />
Zur Normierung setzte der britische Elektroingenieur G. N. Hounsfield den Dichte-<br />
32
wert von Wasser auf 0 und von Luft auf –1000. Sehr dichtes Knochengewebe liegt bei<br />
+3000 HE (Hounsfield-Einheiten). Chemische Elemente höherer Ordnungszahl und<br />
mithin größerer Elektronendichte haben entsprechend höhere Werte [57].<br />
Im Gegensatz zum Standard-CT wird der Patient oder das Objekt nicht schichtweise<br />
abgetastet, sondern während der Rohdatenerfassung mit gleichmäßigem Tischvorschub<br />
durch die rotierende Röntgenröhre bewegt. Es resultiert eine spiralförmige oder heli-<br />
cale Abtastbewegung des Untersuchungsobjektes (Abb. 11). Innerhalb eines Spiral-<br />
scans kann aus jedem beliebigen Segment ein CT-Bild erzeugt werden [32].<br />
Abb. 11: Prinzip des Spiral-CT (Quelle [32]).<br />
2.4.1.1 Bildmatrix und Bildausschnitt<br />
Ein CT-Bild besteht aus einer quadratischen Bildmatrix, die üblicherweise 256 2 bis<br />
1024² Bildpunkte (Pixel) umfasst. Unter Berücksichtigung, dass ein CT-Bild eine<br />
Schicht entsprechender Dicke repräsentiert, entspricht jeder Bildpunkt einem Volu-<br />
menelement, das man Voxel nennt. Ist die Schichtdicke nahezu 10 mm, hat das Voxel<br />
"Streichholzform". Bei der Bildrekonstruktion wird jedem Voxel ein Zahlenwert zu-<br />
geordnet, der das Maß für Röntgenschwächung in diesem Volumenelement ist.<br />
33
2.4.1.2 Bildrekonstruktion<br />
Im Gegensatz zum Standard-CT sind im Spiral-CT Tischvorschub und Ort der Bildre-<br />
konstruktion vollständig entkoppelt. Das Rekonstruktionsergebnis der erfassten Volu-<br />
mendaten wird im Wesentlichen durch die drei Geräteparameter Schichtkollimation<br />
(SC), Tischvorschub (TF) und Rekonstruktionsinkrement (RI) bestimmt. Die<br />
Schichtkollimation beschreibt die Schichtdicke des Scans in der Patientenlängsachse<br />
und kann durch entsprechende Filter hinter der Röntgenröhre und vor dem Detektor<br />
variiert werden. Der Tischvorschub beschreibt den Vorschub des Untersuchungsti-<br />
sches pro Röhrenumdrehung. Das Verhältnis von Tischvorschub pro Röhrenrotation<br />
zu Schichtkollimation wird als Pitch-Faktor P bezeichnet. Dabei ist zu beachten, dass<br />
ein Pitch-Faktor unter 1 zu einer überlappenden Abtastung und damit zu einer erhöh-<br />
ten Strahlenbelastung führt. Die geringfügigen Vorteile bei der 3D-Darstellung paral-<br />
lel zur Schichtebene verlaufender Konturen rechtfertigt jedoch in der Regel die Dosis-<br />
erhöhung nicht. Bei einem Pitch-Faktor über 2 tritt eine Unterabtastung des Untersu-<br />
chungsvolumens auf, was zu nicht korrigierbaren Bewegungsartefakten führt.<br />
Abb. 12: Pitch-Faktor: Bei Erhöhung des Faktors wird die Spirale gedehnt<br />
und die Bildqualität geringer(Quelle [32]).<br />
Der dritte wichtige Parameter, das Rekonstruktionsinkrement, gibt an, in welchem<br />
Abstand die Schnitte in der Rekonstruktion aus den erfassten Volumendaten berechnet<br />
34
werden. Das RI beschreibt somit den Grad der Überlappung zwischen den einzelnen<br />
Schichten. Für die 3D-Rekonstruktion sollte das RI kleiner oder gleich dem halben<br />
Tischvorschub sein. Dies entspricht etwa einer 50%igen Überlappung der Schichten<br />
und damit einer Verdopplung der Einzelbilder. Die Ortsauflösung innerhalb der Bild-<br />
ebene ist dabei deutlich höher als der nominelle Schichtabstand der einzelnen Bilder.<br />
2.4.2 Gantrykippung<br />
Für die 3D-Rekonstruktion ist weiterhin die Kippung der Gantry = Scannereinheit<br />
von Bedeutung. Die Scannereinheit = Gantry kann für schräge Schnitte um die x-<br />
Achse gekippt werden. Je nach Gerät ist ein Kippungswinkel bis 30° möglich. In der<br />
Regel wird keine Gantryneigung eingesetzt, das heißt, die Schnittebene verläuft senk-<br />
recht zur Tischebene. Von einer Kippung der Gantry raten die meisten Hersteller von<br />
Navigationssystemen ab, da eine Rekonstruktion der Datensätze entweder nicht mög-<br />
lich ist oder für die Genauigkeit des Rekonstruktionsergebnisses nicht garantiert wer-<br />
den kann.<br />
2.4.3 Auflösungsvermögen des CT<br />
Das physikalische Auflösungsvermögen des CT hängt von der Anzahl und der Größe<br />
der Detektoren ab. Dieses physikalische Auflösungsvermögen ist Grundlage aller wei-<br />
teren Genauigkeitsanalysen. Das Bildauflösungsvermögen errechnet sich aus der Grö-<br />
ße des untersuchten Feldes (field of view, FOV) sowie der Matrix von meist 512 x<br />
512 Bildpunkten. Bei der Kieferdarstellung reicht in der Regel ein FOV von 12 cm.<br />
Die sich daraus ergebende Pixelgröße beträgt 0,23 mm. Die minimal erreichbare<br />
Schichtdicke beim eingesetzten SR 7000 beträgt 1,5 mm. Neuere CT-Generationen,<br />
insbesondere Multidedektorsysteme mit 0,7 mm axialer Auflösung und kürzerer Scan-<br />
zeit können hier noch genauere Datensätze liefern.<br />
2.5 Datenbearbeitung und Datentransfer<br />
Die im CT gescannten Unterkiefermodelle wurden ohne die Erstellung einer Hardcopy<br />
35
(Röntgenausdruck) jeweils mit fortlaufender Nummer im zentralen Datenarchiv der<br />
Klinik abgelegt. Die Bearbeitung und Konvertierung der vom CT übernommenen<br />
Rohdaten erfolgte auf einer EasyVision-Workstation, Firma Philips. Über das Klinik-<br />
netzwerk wurden die Datensätze auf dem zentralen Plattenspeicher des Röntgenarchivs<br />
gespeichert. Dieser Plattenspeicher der Firma <strong>Image</strong> Devices basiert auf CD-ROM-<br />
Speichereinheiten, die ähnlich wie in einer Jukebox abrufbar sind. Die Bedienung und<br />
der Datentransfer sind von jedem Netzwerkanschluss im Klinikum über einen Web-<br />
Browser realisierbar und damit plattformabhängig.<br />
Auf Grundlage dieser bereits vorhandenen Infrastruktur genügten der Anschluss des<br />
Navigationssystems an das Kliniknetzwerk und die Einrichtung eines passwortge-<br />
schützten Zuganges zum Archivsystem. Anschließend konnten alle im Zusammenhang<br />
mit der Untersuchung vorhandenen Datensätze in das Navigationssystem zur weiteren<br />
Planung geladen werden.<br />
Abb. 13: Web-basiertes Archivsystem zur Speicherung aller Aufnahmedaten<br />
aus CT- und MRT- Untersuchungen<br />
Alternativ wäre auch ein Transfer über einzelne Datenträger (Zip-Drive, MO-Disk<br />
oder CD-ROM) möglich gewesen. Die Übertragung über das Kliniknetzwerk ist aller-<br />
dings mit den geringsten logistischen Problemen behaftet und es bedarf keiner zusätz-<br />
lichen personellen Ressourcen.<br />
36
2.6 Planung der navigierten Implantatinsertion<br />
Für die Planung und anschließende navigierte Implantatinsertion wurde das Schrau-<br />
benplanungsmodul der Navigationssoftware STP 4 verwendet. Ausgehend von der<br />
cranialen Navigationssoftware wurde dieses Modul zunächst für die Planung und na-<br />
vigierte Insertion von Pedikelschrauben konzipiert. Pedikelschrauben dienen in der<br />
Wirbelsäulenchirurgie der Stabilisierung des gebrochenen Wirbelbogens. Die unmit-<br />
telbare Beziehung zum Rückenmark und den Spinalnerven stellt ebenfalls hohe An-<br />
sprüche an die Navigationspräzision.<br />
Die beschriebene Software erlaubt eine freie Skalierung der Schrauben, beziehungs-<br />
weise Implantatgrößen und kann deshalb im Rahmen der experimentellen Versuchs-<br />
reihe ohne zusätzliche Modifikation auch für die dentalen Implantate genutzt werden.<br />
Darüber hinaus kann das Planungsimplantat mit einem virtuellen Kopf versehen wer-<br />
den, der die Achse, Position und Ausdehnung des späteren prothetischen Zahnersatzes<br />
bereits im Planungsstadium visualisiert. Auf einige spezifische Funktionen, wie sie<br />
aus verschiedenen dentalen Implantatplanungsprogrammen bekannt sind, muss aller-<br />
dings in der verwendeten Software vorerst verzichtet werden.<br />
Um eine valide Datenbasis zu schaffen, werden jeweils pro Unterkiefermodell 5 IMZ-<br />
Phantomimplantate (Intramobiles Zylinderimplantat) 3,3 x 13 mm, Firma Friadent,<br />
Mannheim geplant. Dabei werden im linken Unterkieferquadranten je zwei und im<br />
rechten Unterkiefer je drei Implantate jeweils individuell positioniert (Abb. 14). Bei<br />
20 Unterkiefermodellen ist damit insgesamt eine Genauigkeitsanalyse an 100 Einzel-<br />
implantaten möglich. Neben der dreidimensionalen Planung und Darstellung in frei<br />
wählbaren Ebenen ermöglicht dieses Programmmodul auch die navigationsgeführte<br />
Insertion der Implantate.<br />
37
Abb. 14: Software STP 4 - Planungssituation mit 5 Implantaten<br />
2.7 Kalibration und Referenzierung des Instrumentariums<br />
Zu Beginn des Navigationsprozesses ist die Kalibrierung und Referenzierung des ver-<br />
wendeten Instrumentariums notwendig. Für den Implantatinsertionsprozess wird ein<br />
handelsübliches, zahnärztliches Winkelstück verwendet. Der die Lage vermittelnde<br />
Dynamische Referenzrahmen (DRF) ist durch einen speziell angefertigten Adapter mit<br />
dem Winkelstück verbunden.<br />
Zur Kalibrierung wird das abgebildete Gerät (Abb. 15) der Firma Leibinger verwen-<br />
det. Mit Hilfe von Leuchtdioden, die an der Kalibrierungseinheit angebracht sind,<br />
wird die Spitze des Implantat-Pilotbohrers zur Lage des Referenzrahmens genau defi-<br />
niert. Der Vorgang der Instrumentenkalibrierung wird ebenfalls durch die Navigati-<br />
onssoftware STP 4 vermittelt. Prinzipiell lassen sich mit dem dargestellten System<br />
verschiedenste Instrumente in das Navigationssystem integrieren. Allerdings ist die<br />
Kalibrierung von sehr kurzen und zusätzlich abgewinkelten Instrumenten problema-<br />
tisch, da sich diese nicht zwischen die beiden verschiebbaren Ebenen des Gerätes brin-<br />
38
ingen lassen.<br />
Das Kalibrierungsgerät wurde deshalb modifiziert. Auf der Basisplatte des Gerätes<br />
wurde eine zusätzliche Kunststoffführung angebracht. Damit konnte die Spitze des<br />
Pilotbohrers definiert in der Mitte der Kalibrierungsstation gehalten werden.<br />
Abb. 15: Modifizierte Kalibrierungsseinrichtung für kurze Instrumente<br />
Mit dieser Veränderung ist hilfsweise auch die Eichung und Integration sehr kurzer<br />
Instrumente möglich. Während der Vorgang der Kalibrierung nur einmal für jedes<br />
Instrument erforderlich ist, wird der sogenannte Referenzierungsprozess des Instru-<br />
mentes jedem Navigationsprozess und jedem Instrumentenwechsel vorangestellt. Es<br />
handelt sich hierbei um eine Sicherheitsabfrage. Dabei überprüft das Navigationssys-<br />
tem, ob das angewählte Instrumentarium tatsächlich auch den gespeicherten Daten<br />
entspricht. Die Referenzierung verlangt eine schrittweise Auslenkung des Instrumentes<br />
jeweils in 12-, 3-, 6- und 9-Uhr-Position. Das jeweilige Instrument wird vom System<br />
erkannt und ist dann für den weiteren Navigationsvorgang verwendungsfähig. Für<br />
diesen Referenzierungsvorgang wurde gemeinsam mit der Firma Carl Zeiss ein Tool<br />
entwickelt, bei dem die Spitze des Instrumentes sicher in einem definierten Punkt<br />
gehalten wird (Abb. 16). Dieses einfache Tool ist sterilisierbar und durch sein Ge-<br />
wicht verschiebungsfrei auf verschiedenen Unterlagen positionierbar. Es ermöglicht so<br />
eine sichere Instrumenten – Referenzierung.<br />
39
Abb. 16: Neu entwickeltes Tool zur schnellen Referenzierung<br />
Um nochmals die Genauigkeit zu kontrollieren, wurde ein zusätzlicher Systemtest<br />
eingefügt. Dazu wurde in der Software des Navigationssystems ein Datensatz mit ei-<br />
nem Quadrat von 80 mm Seitenlänge definiert. Die selben Punkte wurden auf Milli-<br />
meterpapier festgelegt und dieses Quadrat mit der Instrumentenspitze registriert.<br />
x = -4<br />
y = 4<br />
x = -4<br />
y = -4<br />
x = 0<br />
y = 0<br />
40<br />
x = 4<br />
y = 4<br />
x = 4<br />
y = -4<br />
Abb. 17: Einfacher Test zur Kontrolle der korrekten Instrumentenreferenzierung<br />
Im Zentrum des aufgezeichneten Quadrates liegt der Nullpunkt (Abb. 17). Beim An-<br />
fahren dieses Mittelpunktes müssen auch im Koordinatensystem des Navigationscom-<br />
puters die Werte x = 0 und y = 0 angezeigt werden. Um Fehler, die durch eine geo-<br />
metrische Veränderung der Winkelstück-Referenzrahmen-Verbindung entstehen könn-<br />
ten, möglichst auszuschalten, wurden der Kalibrierungsvorgang und der beschriebene<br />
Test insgesamt bei jedem neuen Kunststoffmodell wiederholt.
2.8 Insertion unter Führung des Navigationssystems<br />
Nach Abschluss der Registrierung kann mit der navigierten Insertion begonnen wer-<br />
den. Die Abbildung (Abb. 18) zeigt den Messplatz. Im Zentrum befindet sich das<br />
STN System mit dem Kamerabalken, der sowohl die Lage des Winkelstückes (rot) als<br />
auch die Position des Unterkiefers (gelb) im virtuellen Koordinatensystem verfolgt.<br />
Abb. 18: Versuchsaufbau mit STN System im Zentrum, rechts das Handstück mit Referenzgeber,<br />
links das Unterkiefermodell, ebenfalls mit Referenzgeber.<br />
Entsprechend der für jedes Modell spezifischen angefertigten Planung wurden jeweils<br />
5 IMZ Implantate unter Führung des Navigationssystems in die Unterkieferphantome<br />
eingebracht. Nach diesem Vorgehen konnten in die 20 Unterkiefermodelle insgesamt<br />
100 Implantate inseriert werden.<br />
41
Abb. 19: Navigiertes Winkelstück. Die Position der Bohrerspitze und die Richtung der Implantatachse<br />
werden durch den Referenzrahmen mit Leuchtdioden (rechts im Bild) übermittelt.<br />
Abb. 20: Monitorbild während der navigierten Implantatinsertion<br />
Auf dem Bild (Abb. 20) ist die multiplanare Rekonstruktion bereits mit erfolgter Imp-<br />
lantatplanung zu sehen. Das Monitorbild gibt den Moment der navigierten Implantat-<br />
42
insertion wieder. Die grün gestrichelte Linie zeigt die Achse des Implantatbohrers.<br />
Abweichungen in allen Ebenen werden dem Operateur sowohl optisch als auch akus-<br />
tisch vom Navigationscomputer mitgeteilt.<br />
Trotzdem ist eine in allen Ebenen korrekte Positionierung des Implantates schwierig.<br />
Das System ermöglicht deshalb während des Bohrvorganges eine Umschaltung in den<br />
Zielmodus. Abb. 21 zeigt diese Situation in einem Screenshot. Die Bohrerpositionie-<br />
rung ist in Richtung und Insertionspunkt korrekt, wenn der Nullpunkt der dargestell-<br />
ten drei Koordinatensysteme in Übereinstimmung gebracht wird. Das zentrale Koor-<br />
dinatensystem entspricht der Implantatposition (gelb). Der kleine Kreis (grün), das<br />
zweite Koordinatensystem, stellt die Bohrerspitze dar. Das dritte Koordinatensystem,<br />
angezeigt durch den großen grünen Kreis, visualisiert die Richtung des Bohrers. Im<br />
Beispiel zeigt die Bohrerspitze in den Zielpunkt. Der abweichende große Kreis signa-<br />
lisiert gleichzeitig eine falsche Richtung des Bohrwerkzeuges. Die Übereinstimmung<br />
der Koordinatensysteme muss selbstverständlich während des gesamten Bohrvorgan-<br />
ges kontrolliert und in idealer Position gehalten werden.<br />
Abb. 21: Bohren im Ziel-Modus soll das in allen Ebenen sichere Positionieren erleichtern<br />
43
2.9 Prozess der <strong>Image</strong>fusion<br />
Anschließend wurden die 20 Kunststoffunterkiefer erneut im CT unter gleichen Para-<br />
metern gescannt. Die Software STP 4 ist mit einem <strong>Image</strong>fusionsmodul ausgestattet.<br />
Dieser Programmteil erlaubt die virtuelle deckungsgleiche Projektion verschiedener<br />
Datensätze. Damit lassen sich sowohl Bilder aus verschiedenen Untersuchungsmedien<br />
als auch mehrere Bilddatensätze gleicher Untersuchungen vereinigen. Unter diesen<br />
Voraussetzungen war die Möglichkeit gegeben, den Planungsdatensatz eines jeden<br />
Modells mit dem „postoperativen Datensatz“ zu korrelieren. Dieses Übereinanderla-<br />
gern der beiden „prä- und postoperativen Datensätze“ erfordert reproduzierbare Punk-<br />
te. Dabei konnte das bereits für die Referenzierung genutzte Titanschraubenmarker-<br />
system Verwendung finden. In der Abbildung (Abb. 22) ist in einer Bildschirmkopie<br />
links der „präoperative“ und rechts der „postoperative Datensatz“ dargestellt. Für die<br />
Korrelation müssen die Titanschraubenmarkierungen jeweils in den beiden zu fusio-<br />
nierenden Datensätzen markiert werden. Im unteren Bildschirmanteil wird angezeigt,<br />
mit welcher Genauigkeit die Datensätze anschließend in Übereinstimmung gebracht<br />
werden konnten.<br />
Abb. 22: Das <strong>Image</strong>fusionsmodul der Software STP 4<br />
44
2.10 Datenanalyse – statistische Auswertung<br />
Die multiplanare Rekonstruktion ermöglicht nun, aus dem fusionierten Datensatz wie-<br />
der einzelne axiale Schichten darzustellen. In diesen Schichten war neben der Implan-<br />
tatposition (weißer röntgenopaker Kreis) auch die ursprüngliche Planung (farbige<br />
Kreise) sichtbar. Waren beide Kreise in jeder Schicht vollständig deckungsgleich, ist<br />
das Implantat exakt nach der Planungsposition inseriert worden (Abb. 23).<br />
Für die Bestimmung der Insertionsgenauigkeit wurde jeweils aus den axialen Schich-<br />
ten die cranialste und die caudalste Ebene pro Implantat ausgewählt. Die Abweichun-<br />
gen in diesen Schichten wurden sowohl in mesial/distaler Richtung als auch in vestibu-<br />
lär/lingualer Richtung metrisch am Bild bestimmt (Abb. 24, Abb. 25).<br />
Aus diesem Vorgehen ergeben sich für die 100 inserierten Implantate 400 Einzel-<br />
messwerte, die die Abweichung zwischen Planung und Insertionsergebnis genau defi-<br />
nieren. Die Tabelle (Tab. 2) im Anhang gibt die gemessenen 400 Differenzstrecken in<br />
den axialen Schichten mit Mittel- und Maximalwerten detailliert wieder.<br />
Abb. 23: Prozess der <strong>Image</strong>fusion<br />
45
Abb. 24: Darstellung der Messpunkte der cross-sectionalen Ebene<br />
Abb. 25: Beispiel der cranialsten Schicht mit Messpunkten<br />
46
3 ERGEBNISSE<br />
3.1 Registriergenauigkeit<br />
Bei Verwendung des Miniplastschienen/Titanschrauben-Markierungssystems wurde<br />
für die 20 Unterkiefermodelle eine vom System errechnete Registriergenauigkeit<br />
(RMS) von 0,81 mm mit einer Standardabweichung von +/- 0,21 mm bestimmt. Die<br />
höchste Registriergenauigkeit lag bei 0,41 mm (Unterkiefermodell Nr. 26) und die<br />
schlechteste bei 1,21 mm (Unterkiefermodell Nr. 21). Bei diesem durch das System<br />
selbst errechneten Wert, handelt es sich um die Genauigkeit, mit der die beiden Koor-<br />
dinatensysteme (1. CT-Datensatz und 2. Unterkieferkunststoffmodell) in Überein-<br />
stimmung gebracht werden konnten. Die Navigationssoftware errechnet hierbei die<br />
optimale Transformation. Der angezeigte RMS-Wert (Abb. 26) gibt lediglich die Aus-<br />
kunft, wie gut die am Modell registrierten Punkte in das virtuelle Koordinatensystem<br />
des Unterkieferdatensatzes vom Navigationssystem eingepasst werden konnten (siehe<br />
Kapitel 1.3.2, Seite 11).<br />
Abb. 26: Auswertung des Registrierungsvorganges mit Ausgabe der internen Genauigkeit<br />
3.2 Genauigkeit des Navigationsprozesses<br />
Die gemittelte Genauigkeit, nämlich die Abweichung des Operationsergebnisses von<br />
47
der vorausgegangenen Planungsposition, betrug auf Grundlage der in Kapitel 2.10<br />
Seite 45 beschriebenen Auswertung 0,68 mm, mit einer Standardabweichung von +/-<br />
0,63 mm.<br />
Für die canialste axiale Schicht, dem Insertionspunkt auf dem Alveolarfortsatz, ergab<br />
sich eine mittlere Abweichung in vestibulär/lingualer (crossektionaler) Richtung von<br />
0,75 mm mit einer Standardabweichung +/- 0,67 mm und in mesial/distaler (longitu-<br />
dinaler) Richtung von 0,59 mm (Standardabweichung +/- 0,58 mm).<br />
In der caudalsten axialen Schicht, am Apex des Implantates, wurde eine mittlere Ab-<br />
weichung vestibulär/lingualer Richtung von 0,92 mm (Standardabweichung +/- 0,80<br />
mm), und in mesio/distaler Richtung von 0,73 mm (Standardabweichung +/- 0,80<br />
mm) bestimmt. Das folgende Diagramm zeigt die Verteilung der Einzelwerte. Ausge-<br />
hend von 100 Implantaten (n=100) zeigt die erste Säule die Abweichung der Implan-<br />
tate in der cranialsten Schicht (Insertionspunkt) in vestibulär/lingualer Richung (v/l<br />
cranial), Säule zwei die Abweichung ebenfalls in der cranialsten Schicht in mesi-<br />
al/disaler Richtung (m/d cranial). Die Abweichungen des Implantates von der geplan-<br />
ten Postion am Apex werden analog durch die Säule (v/l caudal) und die Säule (m/d<br />
caudal) veranschaulicht.<br />
Abweichung in mm<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
N =<br />
100<br />
v/l cranial<br />
100<br />
m/d cranial<br />
48<br />
100<br />
v/l caudal<br />
100<br />
m/d caudal<br />
Diagramm 1: Verteilung der Einzelmesswerte mit 75% Perzentile (rot)
Der rot dargestellte Bereich zwischen 0 und 1,5 mm Abweichung beinhaltet 75% der<br />
gemessenen Werte (75% Perzentile).<br />
In der folgenden Darstellung ist die Häufigkeitsverteilung der gemessenen 400 Diffe-<br />
renzstrecken unabhängig von der Richtung der Abweichung veranschaulicht. 50%<br />
aller gemessenen Abweichungen (197 Differenzstrecken) sind kleiner oder gleich 0,5<br />
mm. Insgesamt 86% der Differenzstrecken liegen im Abweichungsbereich bis 1,5<br />
mm. Für 14% der Messstrecken wurde eine Distanz zwischen Planung und Insertions-<br />
ergebnis von größer oder gleich 1,6 mm festgestellt. Die maximale Abweichung lag in<br />
einer Richtung bei 3,8 mm.<br />
Anzahl der Messwerte n = 400<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
197<br />
75<br />
71<br />
34<br />
49<br />
13<br />
7<br />
2 1<br />
0 - 0,5 - 1,0- 1,5- 2,0- 2,5- 3,0- 3,5-
nauigkeit von 0,4 bis 1,2 mm praktisch keine Abhängigkeit zur Genauigkeit von Pla-<br />
nung und Insertionsergebnis, also zur Navigationspräzision, feststellen.<br />
Distanz vestibulät/lingual/cranial in mm<br />
3,5<br />
3,0<br />
2,5<br />
2,0<br />
1,5<br />
1,0<br />
,5<br />
0,0<br />
-,5<br />
,4<br />
,6<br />
,8<br />
Registriergenauigkeit in mm<br />
Diagramm 3: Beziehung zwischen Abweichung am Insertionspunkt in vestibulär/lingualer<br />
Richtung (y-Achse) und Referenzierungsgenauigkeit (x-Achse)<br />
3.3 Algorithmus der navigationsgeführten Implantatinsertion<br />
In Zusammenfassung der Erfahrungen der experimentellen Arbeit wird ein Algorith-<br />
mus zum Vorgehen bei der navigierten Implantatinsertion am teilbezahnten Kiefer<br />
vorgeschlagen (Abb. 27). Analog kann dieses Schema auch für andere Indikationen<br />
angewendet werden, bei denen ein rigides Einspannen des Schädels während der Na-<br />
vigation nicht möglich oder sinnvoll ist.<br />
50<br />
1,0<br />
1,2<br />
1,4
Schritt 1a<br />
Abdrucknahme<br />
Modelle, Einartikulation, WaxUp<br />
Duplikat des WaxUp<br />
Schritt 1b<br />
Anfertigung einer Miniplastschiene<br />
mit Titanschraubenmarkierungen<br />
Schritt 2a<br />
Computertomographie<br />
mit eingegliederter Schiene<br />
Schritt 2b<br />
Implantatplanung<br />
am Monitor des Navigationssystems<br />
Schritt 3a<br />
Befestigung der Referenzgeber<br />
an der Miniplastschiene<br />
Schritt 4a<br />
Eingliederung der Miniplastschiene<br />
Schritt 4b<br />
Registrierung der Patientenlage<br />
Schritt 4c<br />
Navigationsgeführte Implantatinsertion<br />
Abb. 27: Algorithmus der navigationsgeführten Implantatinsertion für den klinischen Einsatz<br />
1. Herstellung eines Studienmodells, das im Artikulator schädelbezüglich montiert<br />
wird. Nach der prothetischen Bissanalyse kann die ideale Position der Implantate am<br />
Studienmodell festgelegt werden. Unter Berücksichtigung der vertikalen und sagittalen<br />
51
Relation zwischen Ober- und Unterkiefer imitiert eine diagnostische Zahnaufstellung<br />
die vorgesehene prothetische Versorgung. Anschließend wird das Modell dubliert und<br />
eine Tiefziehschiene hergestellt. In diese Schiene werden als röntgenopake Markie-<br />
rungen mindestens 3 Köpfe von Minititanschrauben einpolymerisiert (Abb. 28). Die<br />
radioopaken Markierungen müssen aus Titan bestehen, da ansonsten bei der CT-<br />
Aufnahme Reflektionen entstehen. Die Schraubenköpfe sollten über die ganze Schiene<br />
verteilt sein und sich nicht in unmittelbarer Nähe von metallischem Zahnersatz befin-<br />
den. Bei der anschließenden CT-Diagnostik kommt es in diesen Bereichen teiweise zu<br />
sehr starken Artefakten. Für diese Fälle wird vorgeschlagen, die Schiene weit in das<br />
Vestibulum zu extendieren und die Schraubenköpfe in der apikalen Region der Zähne<br />
zu platzieren. Die Extension der Schiene in das Vestibulum ist außerdem zur besseren<br />
Markerverteilung empfehlenswert.<br />
Abb. 28: Miniplastschiene mit Referenzmarkern<br />
Die auf diese Weise hergestellte Schiene dient sowohl der Referenzierung als auch der<br />
Befestigung des dynamischen Referenzrahmens, der die jeweilige Lage des Kiefers<br />
vermittelt.<br />
2. Mit dieser eingegliederten Schiene wird die Datenerfassung im CT durchgeführt.<br />
Dabei ist auf eine möglichst geringe Schichtdicke zu achten. Im Allgemeinen sollte<br />
dem Spiral-CT gegenüber der Aufnahme von Einzelschichten der Vorzug gegeben<br />
52
werden. Die Aufnahme ist auf den diagnostisch notwendigen Bereich zu beschränken.<br />
Für die Planung ist es wünschenswert, zumindest die Zahnkronen des Gegenkiefers<br />
mit zu erfassen. Sind jedoch im Gegenkiefer größere festsitzende metallische Rekon-<br />
struktionen vorhanden, ist die Aufnahme mit geöffnetem Mund zu empfehlen, um die<br />
Artefakte des Gegenkiefers zu vermeiden. Dabei ist der Patient mit der Okklusions-<br />
ebene parallel zur Scannereinheit des Computertomogramms zu lagern. Um diese Pa-<br />
rallelisierung zu erleichtern, kann die eingegliederte Schiene mit einer Verlängerung<br />
ausgestattet werden. Die Lage der Gantryebene parallel zur Kauebene ermöglicht es,<br />
die von metallischen Füllungen ausgehenden Artefaktbildungen auf wenige Schichten<br />
zu beschränken.<br />
3. Vor der navigationsgeführten Operation wird nun die Schiene mit dem Referenz-<br />
rahmen verbunden, der die exakte Lage des Patientenkopfes vermittelt. Um hier eine<br />
sichere Verbindung herzustellen, wird ein Rundstahl mit einem Durchmesser von 3,5<br />
mm seitlich an die Schiene oder auf die Okklusionsfläche mit Kunststoffpolymerisat<br />
angebracht (Abb. 29). Auf diesen Rundstahl lässt sich der Referenzrahmen aufstecken<br />
und zunächst noch bewegen.<br />
Abb. 29: Miniplastschiene mit Adapter für DRF<br />
Die endgültige Fixierung erfolgt in Abhängigkeit von der Implantationsregion, der<br />
Patientenlage und dem Standort der Kamera. Alle beschriebenen, mit dem Patienten in<br />
53
Berührung kommende Elemente (Schiene, dynamischer Referenzrahmen, Winkelstück<br />
mit Referenzgeber) sind gas- oder plasmasterlisierbar. Das Bedienteil des Navigati-<br />
onssystems lässt sich in einen sterilen Kunststoffschlauch verpacken.<br />
4. Nach dieser Vorbereitung kann der eigentliche Navigationsprozess beginnen. Nach<br />
Desinfektion und steriler Abdeckung wird die Schiene mit dem Referenzrahmen ein-<br />
gegliedert. Das Kamerasystem muss so positioniert werden, dass sowohl zu dem Re-<br />
ferenzrahmen als auch zum Winkelstück unbehinderter Sichtkontakt besteht. Eine De-<br />
ckenmontage oder das Aufstellen der Kamera am Fußende oder Kopfende ist deshalb<br />
zu empfehlen. Die flexible Verbindung von Schiene und Referenzrahmen erlaubt eine<br />
optimale Abstimmung. Es folgt der Referenzierungsprozess, wobei der Navigationsda-<br />
tensatz und die Kiefer- bzw. Kopfposition des Patienten abgeglichen werden. Die in<br />
der Schiene eingebrachten Schraubenmarkierungen erscheinen als gut wahrnehmbare,<br />
helle Körper in den transversalen Schnittbildern und können so evident registriert wer-<br />
den.<br />
Es wird empfohlen, die Spitze des Bohrers als Abtastsonde zu nutzen. Die Genauig-<br />
keit der intraoralen Referenzierung kann durch mehrfache Einmessung der Abtastung<br />
der Referenzpunkte optimiert werden. Nach erfolgreicher Referenzierung wird die<br />
Schiene wieder abgenommen und die Operation kann mit der Freilegung der Implanta-<br />
tionsregion beginnen. Unmittelbar vor der Pilotbohrung wird die Schiene, die in der<br />
Bohrregion ausreichend dimensionierte Aussparungen besitzt, wieder eingegliedert. So<br />
lange die Relation der Schiene und dem befestigten Referenzgeber nicht verändert<br />
wird, ist kein erneuter Referenzierungsvorgang notwendig. Während der Navigation<br />
dient die Schiene mit dem Sensorsystem als geometrisches Bezugssystem. Der navi-<br />
gierte Bohrvorgang kann beginnen. Eine genauere Bohrerpositionierung wird durch<br />
die Umschaltung in den Zielmodus möglich (Abb. 21).<br />
Aus den Erfahrungen der experimentellen Studie und dem klinischen Einsatz kann das<br />
Vorgehen (Abb. 30) für den Navigationseinsatz in der Mund-, Kiefer- und Gesichts-<br />
chirurgie vorgeschlagen werden. Der Ablauf ist für verschiedenste Indikationsbereiche<br />
geeignet.<br />
54
<strong>Image</strong>fusion mit<br />
Positronenemissionstomographie (PET)<br />
Einzelphotonenemissionstomographie (SPECT)<br />
Szintigraphie<br />
intraoperative Bildgebung<br />
Fluoronavigation<br />
Ultraschall<br />
offenes MRT<br />
Applikation der Marker<br />
CT-Scan/MRT-Scan<br />
Operationsplanung<br />
am Monitor<br />
Patientenpositionierung<br />
Registrierung<br />
Navigierte Operation<br />
Pointernavigation<br />
Instrumentennavigation<br />
55<br />
Hautklebemarker<br />
Haed-Set<br />
dental getragene<br />
Schiene<br />
Schraubenmarkierungen<br />
starr (Mayfield-Klemme)<br />
Rrhmenlos (dynamisch)<br />
manuell<br />
automatisch<br />
Abb. 30: Vorschlag eines allgemeinen Algorithmus zur computerassistierten Operationsnavigation in<br />
der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie(indikationsübergreifend)<br />
3.4 Klinisches Anwendungsbeispiel<br />
Um die prinzipielle Tauglichkeit des geschilderten Navigationssystems beurteilen zu<br />
können, soll folgend der Einsatz des STN-Systems im klinischen Fall demonstriert<br />
werden.<br />
Zur navigationsgestützten Insertion dentaler Implantate wurde eine Patientin mit einer<br />
Freiendsituation im rechten Oberkiefer ausgewählt. In Vorbereitung des Implantatla-
gers war zunächst eine Sinusbodenaugmentation notwendig (Abb. 31).<br />
Abb. 31: Freiendsituation im rechten Oberkiefer - im OPG nach Knochentransplantation<br />
Nach einem WaxUp der Zähne 14 und 15 folgte die Herstellung einer Bohr- und Pla-<br />
nungsschiene im Oberkiefer. Die 1,5 mm starke Schiene wurde in Tiefziehverfahren<br />
gefertigt. Als Referenzmarker dienten einpolymerisierte Minititanschrauben. Mit die-<br />
ser Schiene in situ erfolgte vom Oberkiefer der Patientin eine Dünnschicht-<br />
Computertomographie im Spiral-CT nach dem Protokoll Schichtdicke 1,5 mm, Tisch-<br />
vorschub 1,5 mm und Rekonstruktionsindex 1,0 mm. Dabei wurde nur der unmittel-<br />
bar interessierende Bereich von 4 cm in den axialen Schädelscan einbezogen.<br />
Nach Aufnahme der Bilddaten konnte der Datensatz über das Kliniknetzwerk in die<br />
Workstation des STN-Systems eingespielt werden. Für die Implantatplanung wurde<br />
sowohl der Boden des Sinus maxillaris (rosa) als auch das eingebrachte Knochentrans-<br />
plantat (gelb) jeweils in den Einzelschichten segmentiert und durch die Software räum-<br />
lich dargestellt (Abb. 32).<br />
56
Abb. 32: Planungssituation in der 3D-Ansicht (Sinusboden rosa, Transplantat gelb)<br />
Zur Planung kam wieder das Screw Planning Modul der Software STP 4 zum Einsatz.<br />
Der Bildschirm des Systems lässt sich in 4 Teilbereiche gliedern. In 3 Fenstern wird<br />
der gewählte Implantationsbereich in den verschiedenen gekoppelten Ebenen darge-<br />
stellt (sagittal, axial und koronal), (vgl. Abb. 20). Das vierte Fenster ermöglicht eine<br />
dreidimensionale Darstellung des ausgewählten Bereichs. In dieser Umgebung können<br />
die Implantate direkt positioniert werden. Die Achsrichtung und der Insertionspunkt<br />
der zu setzenden Implantate orientierte sich an den Kronen der Nachbarzähne, an den<br />
Zähnen des Gegenkiefers und an dem in der Darstellung (Abb. 32) farblich markierten<br />
Knochenangebot. Der Planung am Computer folgte die navigierte Insertion der Im-<br />
plantate. Nach Freilegung des Knochens und Eingliederung der Schiene wurde mit<br />
dem Navigationsprozess begonnen. Zum Einsatz kam entsprechend der vorbereitenden<br />
experimentellen Studie ein konventionelles, für die Implantatchirurgie spezialisiertes<br />
Winkelstück, das auch die Innenkühlung der Bohrinstrumente ermöglicht. Die in Abb.<br />
33 dargestellte Konfiguration ist ohne Einschränkungen gassterilisierbar.<br />
57
Abb. 33: Navigiertes Winkelstück (Prototyp)<br />
Das Winkelstück steht über den Referenzstern mit der Infrarotkamera des Navigati-<br />
onssystems in ständiger Verbindung.<br />
Abb. 34: Schiene mit DRF in situ<br />
Der an der Miniplastschiene befestigte dynamische Referenzrahmen vermittelt die<br />
Lage und die Bewegungen des Oberkiefers bzw. des Kopfes des Patienten an das Sys-<br />
tem (Abb. 34). Die Übertragung der Ergebnisse aus der computergestützten Planung<br />
auf den Operationssitus gelang mit Unterstützung des Navigationssystems problemlos.<br />
Nach Freilegung des Alveolarknochens bestätigte sich die Knochenstruktur im Implan-<br />
tationsbereich. Die Implantate konnten mit den präoperativ bestimmten Längen und<br />
58
Durchmessern inseriert werden.<br />
Abb. 35: OPG nach der navigierten Implantatinsertion, rechts unten im Bild konventionelle Schichtaufnahmen<br />
der Insertionsregion mit den Implantaten 14 und 24<br />
Nach Freilegung zeigten die Implantate eine klinisch gute Stabilität und konnten<br />
prothetisch versorgt werden (Abb. 36).<br />
Abb. 36: Fertiggestellte Implantatversorgung in situ<br />
59
4 DISKUSSION<br />
4.1 Planung und Simulation<br />
Die präzise Planung und Insertion dentaler Implantate unter gleichberechtigter Beach-<br />
tung chirurgischer und prothetischer Gesichtpunkte ist für den Behandelnden eine gro-<br />
ße Herausforderung. In die Planung gehen die prothetisch erstrebte ideale Lage und<br />
die vermutlich chirurgisch realisierbare Position ein. Die endgültige Implantatposition<br />
ist ein intraoperativer Kompromiss. Die aus den Planungsaufnahmen (OPG,<br />
Schichtaufnahmen, Computertomographie) und dem Kiefermodell gewonnenen<br />
Informationen waren bisher nur mit Augenmaß in den Operationssitus übertragbar.<br />
Die präimplantäre Diagnostik ist in den letzten Jahren unter Einbeziehung moderner<br />
Schichtröntgentechnik und spezieller Planungsprogramme stetig verbessert worden.<br />
Doch letztlich ist die Verfahrenskette von der Planung bis zur Operation am Patienten<br />
in ihrer Exaktheit unterbrochen, wenn der Operateur doch nur mit Augenmaß und<br />
Hilfsmitteln, wie Messschiebern, Messzirkeln und Tiefenmesslehren, das Implantat<br />
positionieren kann. Entspricht das Operationsergebnis nicht der zuvor erstellten<br />
Simulation, ist Sinn und Zweck einer hochpräzisen Planung in Frage zu stellen.<br />
Im Hinblick auf die Qualitätssicherung der chirurgischen Therapie kann dies keine<br />
befriedigende Situation sein. Es ist nicht zu rechtfertigen, dass für die operative Präzi-<br />
sion nicht die selben hohen Ansprüche wie für die präoperative Planungsphase gelten.<br />
Das Schließen der Lücke zwischen einer hochpräzisen Diagnostik und Laborplanung<br />
und ihrer Umsetzung am Patienten erfordert ein System, das die ständige intraoperati-<br />
ve Kontrolle von Implantationsort, Implantationsachse und Tiefe des Implantatbettes<br />
ermöglicht.<br />
Das eingesetzte Navigationssystem befindet sich für die Anwendung der computeras-<br />
sistierten Implantatinsertion im Entwicklungsstadium. Die Potentiale der neuen Ent-<br />
wicklung hinsichtlich interaktiver, dreidimensionaler Planung und einer neuen Metho-<br />
de der Bohrerführung werden in den Darstellungen und durch die Ergebnisse aufge-<br />
zeigt. Allerdings lagen auch 14% der Messwerte in einem für die Genauigkeitsanfor-<br />
derungen der Implantologie nicht mehr akzeptablen Bereich.<br />
Reserven liegen in der Adaptation der Programmsoftware, die für die Implantatpla-<br />
60
nung spezifische Planungswerkzeuge vermissen lässt. Eine zukünftige indikationsge-<br />
rechte Software müsste in der Lage sein, zwei oder mehr Implantate mit entsprechen-<br />
den virtuellen Hilfsmitteln achsenparallel zu positionieren. Hier könnten bereits be-<br />
kannte Planungsfunktionen, wie die Ermittlung von Winkelgraden und die Messung<br />
von Hounsfield - Einheiten aus speziellen Implantatplanungsprogrammen übernommen<br />
werden. Eine ähnliche Aufteilung der Bildschirmfenster und die Übernahme von Dar-<br />
stellungsfunktionen wäre wünschenswert.<br />
Weitere Ursachen für Abweichungen sind die Schwierigkeiten bei der Instrumenten-<br />
und Bohrerkalibrierung. Die feste Integration der Referenzgeber in die kieferchirur-<br />
gischen Bohrgeräte würde weitere Fehlerquellen ausschalten. Auf die Ursachen der<br />
Abweichungen wird noch im Einzelnen in der folgenden Fehleranalyse eingegangen.<br />
Alle heute gängigen Systeme erfordern ein zeitaufwendiges und fehleranfälliges Re-<br />
gistrierverfahren zur Koordination der Koordinatensysteme von Bilddatensatz und<br />
Patientenlage.<br />
Der Routineeinsatz der neuen Technik hängt im entscheidenden Maße von weiteren<br />
Verbesserungen der Hard- und Software in der Navigationstechnik ab, um den zur<br />
Zeit noch hohen Zeitaufwand für Patienten und Personal zu reduzieren. Die Qualität<br />
der Implantation ist weiterhin maßgeblich vom Geschick des Chirurgen abhängig.<br />
Trotz korrekter Orientierung im Raum und genauer Festlegung des Insertionspunktes<br />
ist es nicht leicht und erfordert ein hohes Maß an Aufmerksamkeit, über alle 6 Frei-<br />
heitsgrade während der Implantatbohrung Kontrolle zu behalten. Der Gedanke, die<br />
Bohrung durch einen Roboter ausführen zu lassen, kommt dem Untersucher dabei<br />
zwangsläufig. Auf technischen Robotern basierend, wurden solche Untersuchungen<br />
von Brief et al. [17] vorgestellt.<br />
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist es sinnvoll, auf Grund des hohen technischen, per-<br />
sonellen und materiellen Aufwandes, den Einsatz der Navigation auf die schwierigen,<br />
morphologisch komplizierten Fälle zu beschränken.<br />
Bei der Beurteilung des Aufwandes ist zu bedenken, dass es sich bei dem aufgezeigten<br />
Indikationsgebiet um die Anfänge des klinischen Einsatzes handelt. Neben dem erhöh-<br />
ten Sicherheitsfaktor wird die Möglichkeit zu minimal invasivem Vorgehen umfang-<br />
reicher. Denkbar wäre in Zukunft beim Einsatz des Navigationssystems, auf die Frei-<br />
präparation von Knochenflächen weitgehend verzichten zu können.<br />
61
4.2 Fehleranalyse<br />
Bei der Anwendung von Navigationssystemen ist primär die Frage nach der Genauig-<br />
keit zu stellen. Hierbei ist zwischen präoperativer Genauigkeit während der Planung<br />
(Simulation) und der Genauigkeit bei der Übertragung der Planungsergebnisse (Navi-<br />
gation) auf die operative Situation zu unterscheiden.<br />
Die exakte routinemäßige Kontrolle von Systemfehlern wird bei dem bisherigen Ein-<br />
satz der Navigationssysteme vernachlässigt. Abgesehen von der ermittelten Referen-<br />
zierungsgenauigkeit erhält der Chirurg keinerlei weitere Informationen zur intraopera-<br />
tiven Genauigkeit [53]. Der in der vorliegenden Untersuchung ermittelte Applikations-<br />
fehler (Gesamtfehler) des Navigationsprozesses wurde mit 0,68 mm +/- 0,62 mm<br />
festgestellt.<br />
Allerdings wird gelegentlich auch unkritisch über erreichbare Genauigkeiten berichtet.<br />
So wird nicht selten der vom System ermittelte RMS-Wert als Synonym für die intra-<br />
operative Messgenauigkeit verwendet.<br />
Für eine sinnvolle Bewertung und den Vergleich verschiedener Systeme ist es uner-<br />
lässlich, den globalen mittleren Fehler in verschiedene Teilkomponenten zu zerlegen.<br />
Der Gesamtfehler wird durch seine Zerlegung besser kontrollierbar und für den An-<br />
wender überschaubarer. Aktuell existiert keine umfassende Analyse computergestütz-<br />
ter Navigationssysteme, die die einzelnen Fehler des gesamten diagnostischen und<br />
therapeutischen Prozesses beschreibt. Fehlerquellen und ihr spezifischer Beitrag zum<br />
Gesamtfehler können grundsätzlich in jeder Phase des diagnostischen, beziehungswei-<br />
se therapeutischen Vorgehens auftreten. Die Fehler sollten hinsichtlich ihrer Wertig-<br />
keit und Beeinflussbarkeit analysiert werden. Diese Analyse möchte dahingehend sen-<br />
sibilisieren, welche Fehler besonders zu berücksichtigen sind, um die Navigationsge-<br />
nauigkeit zu verbessern.<br />
Die folgende Abb. 37 zeigt, mit welchen prinzipiellen Beiträgen die Teilfehler zum<br />
Gesamtfehler führen.<br />
Die Analyse der Einzelfehler soll helfen, die Natur des spezifischen Fehlers und sei-<br />
nen Beitrag zum Gesamtfehler zu beachten, die Empfindlichkeit des Gesamtfehlers<br />
gegenüber den verschiedenen Teilbereichen zu bestimmen und das Ausmaß der Ver-<br />
zerrung der Wirklichkeit durch jeden Teilfehler zu erkennen.<br />
62
<strong>Image</strong> Data Acquisation<br />
Repositioning<br />
Tracking<br />
Navigation<br />
<strong>Image</strong>fusion<br />
Abb. 37: Vereinfachtes Schema zur Darstellung des Navigationsablaufes mit den assoziierten Fehlergruppen<br />
(Modifiziert nach Hauser [53]).<br />
Im Rahmen der Fehleranalyse lassen sich die Fehlerquellen generell in Fehler bei der<br />
Datenakquisition und Planung und in Fehler bei der Implantatinsertion einteilen.<br />
Durch die Methodik der Untersuchung kommt noch eine weitere Fehlergruppe durch<br />
den Prozess der <strong>Image</strong>fusion hinzu.<br />
4.2.1 Fehler bei Datenakquisition und Planung<br />
Im Detail müssen folgende Fehlerquellen genannt werden:<br />
63<br />
Datenerfassungsfehler<br />
+<br />
Registrationsfehler<br />
+<br />
Lokalisationsfehler<br />
+<br />
Displayfehler<br />
+<br />
Gesamtfehler<br />
+<br />
<strong>Image</strong>fusionsfehler
• Fehler bei der Bildgewinnung und Datenerfassung, der räumlichen Auflösung<br />
und Verzerrungsfreiheit des bildgebenden Verfahrens beispielsweise durch<br />
Bewegung und Metallartefakte (Datenerfassungsfehler)<br />
• Präzision des Bilddatensatzes, Auflösungsvermögen des Aufnahmegerätes (Da-<br />
tenerfassungsfehler)<br />
• Fehler bei der Datenverarbeitung und dem Erzeugen der virtuellen Rekon-<br />
struktion (Datenverarbeitungsfehler)<br />
• Präzision der Korrelation zwischen Datensatz und Patient. Fehler bei der<br />
punktgenauen Zuordnung der Bilddaten zum Patienten (Registrierungsfehler).<br />
Abhängigkeit von Art des Markersystems (Haut-, Klebemarkersysteme, Kno-<br />
chenimplantate, Schienen oder Splints, anatomische Landmarks) und von der<br />
geometrischen Lokalisation der angebrachten Markierungen [68]<br />
4.2.2 Fehler bei der Implantatinsertion<br />
• unkontrollierte Lockerung der Referenzgeber am Patienten, am Phantom oder<br />
am Arbeitsinstrumentarium (Lokalisationsfehler)<br />
• Systemimmanente Präzision des dreidimensionalen Lokalisationssystems auf<br />
dem der Navigationsprozess beruht (aktives Navigationssystem über Leuchtdi-<br />
oden, passives Navigationssystem auf Reflektion beruhend, mechanisches Na-<br />
vigationssystem oder magnetisches Navigationssystem (Lokalisationsfehler)<br />
• Fehler bei der Detektion der Lage des Patienten oder des Phantommodells, der<br />
Instrumentenposition oder der Instrumentenkalibrierung (Lokalisationsfehler)<br />
• Bewegungsspielraum des Bohrerlagers im Winkelstück<br />
• Fehler durch die freihändige Instrumentenführung. Abweichungen können ent-<br />
stehen durch Blickwechsel zwischen Bildschirm und Operationssitus. (Lokali-<br />
sationsfehler)<br />
• Bildschirm- und Rekonstruktionsfehler bei der Darstellung des Bildmodells und<br />
der Position und der Lage der Instrumente im Verhältnis zum Bild.<br />
64
4.2.3 Fehler durch den zusätzlichen Prozess der <strong>Image</strong>fusion<br />
Während die bisher beschriebenen Fehlergruppen direkt das Implantationsergebnis<br />
oder Operationsergebnis beeinträchtigen, ist der Fehler durch den Prozess der <strong>Image</strong>-<br />
fusion zusätzlich durch die Untersuchung bedingt. Da der <strong>Image</strong>fusionsprozess im<br />
Falle der navigierten Implantation nicht notwendig ist und in der Untersuchung der<br />
Kontrolle des korrekten Implantationsergebnisses dient, schlägt sich diese Fehlermög-<br />
lichkeit zusätzlich im Ergebnis der Genauigkeitsuntersuchung nieder.<br />
Folgende Fehlerquellen beinhaltet der ermittelte Gesamtfehler zusätzlich:<br />
• Fehler durch die erneute Datenakquisition im CT (siehe auch präoperative Feh-<br />
ler)<br />
• Fehler durch den markergeführten Prozess der <strong>Image</strong>fusion<br />
• Fehler durch die visuellen Abstandsmessungen auf dem Computermonitor im<br />
Rahmen der Auswertung<br />
Bei der Fehleranalyse darf schließlich nicht unberücksichtigt bleiben, dass trotz ausge-<br />
reifter Messtechnik die Präzision durch die physiologischen Gegebenheiten des Bedie-<br />
ners eingeschränkte wird – sowohl im motorischen als auch im visuell sensorischen<br />
Bereich.<br />
Es existieren bei der Anwendung der computerassistierten Navigationsmethoden noch<br />
andere Fehlerquellen, die ausgeschaltet werden müssen. Es können nicht alle mögli-<br />
chen Fehler hier diskutiert werden, die den exakten Transfer und die Weiterverarbei-<br />
tung der Bilddaten im Navigationsprozess betreffen. Der Leitfaden soll allerdings für<br />
die bekannten Fehlergruppen sensibilisieren, um sie im Verlauf der fortschreitenden<br />
Entwicklung und Adaptation weitgehend ausschalten zu können .<br />
4.3 Genauigkeit<br />
Alle relevanten Planungssysteme basieren auf Bilddatensätzen und beinhalten zunächst<br />
die Ungenauigkeit der bildgebenden Untersuchungsmethode. Zur Verifizierung der<br />
65
Abweichungen zwischen Datensatz und Phantommodellen wurden von verschiedenen<br />
Autoren Streckenmessungen durchgeführt. Haßfeld stellt für die computergestützte<br />
Vermessung von CT-Daten eine Abweichung von 0,3 bis 0,5 mm fest und vertritt die<br />
Meinung, dass für die interaktive Nutzung von CT-Daten nicht das Aufnahmeverfah-<br />
ren, sondern die Präzision der intraoperativen Umsetzung den limitierenden Faktor<br />
darstellt [47].<br />
Durch die Verwendung von Bohrschablonen zur Implantatplanung kann die Genauig-<br />
keit gegenüber der freihändigen Bohrung zwar erhöht werden, jedoch können bereits<br />
bei der Übertragung der radiologisch und prothetisch geplanten Position Fehler auftre-<br />
ten, die im Millimeterbereich liegen. Zudem ist nach Korrektur der Bohrhülsenpositi-<br />
on oft eine nochmalige Röntgenkontrolle erforderlich. Die größte Ungenauigkeit dürf-<br />
te bei der Übertragung der Modellergebnisse auf die operative Situation auftreten. Sie<br />
ist in hohem Maße von der lagestabilen Fixierung der Schablone und der sicheren<br />
Führung des Bohrers durch die Titanhülsen abhängig [8].<br />
Ein direkter Genauigkeitsvergleich mit der navigationsgeführten Insertion und der<br />
computergestützten Planung mit Bohrschablonen erscheint nicht sinnvoll, da verlässli-<br />
che Daten über die Transfergenauigkeit mit Bohrschablonen unzureichend dokumen-<br />
tiert sind.<br />
Bei der in der Arbeit vorgestellten Genauigkeitsanalyse wurde Wert auf größtmögli-<br />
chen Realitätsbezug gelegt. Es kamen anatomische Unterkiefermodelle und das übli-<br />
che Instrumentarium zum Einsatz. Die Abläufe entsprachen weitgehend dem realen<br />
klinischen Einsatz des Navigationssystems. In der Literatur findet sich keine ver-<br />
gleichbar angelegte Studie zur Navigations- und Messgenauigkeit. Beschrieben wur-<br />
den bisher in klinischen Anwendungen gewonnene Erfahrungen und vor allem Stre-<br />
ckenmessungen an Phantomen.<br />
Typischerweise geben Navigationssysteme darüber Auskunft, wie gut die Koordina-<br />
tensysteme von Patient (Modell) und Datensatz im Navigationssystem in Überein-<br />
stimmung gebracht werden konnten. Als Genauigkeitsergebnis dieses Matching-<br />
66
Verfahrens wird ein sogenannter oft zitierter RMS - Wert angeben. Dieser „root-<br />
mean-square-Fehler“ entspricht der Wurzel aus dem mittleren Fehlerquadraten und<br />
gibt informiert darüber, wie gut die gemessenen Punkte in die tatsächlichen Werte des<br />
Bilddatensatzes eingepasst werden können. Dabei ist insbesondere im Hinblick auf die<br />
Untersuchungen zu beachten, dass der RMS - Wert nur wenig Aussagekraft über die<br />
erzielbare klinische Genauigkeit hat. Ein RMS - Wert von beispielsweise 0,22 mm<br />
bedeutet eben nicht automatisch eine Ansteuergenauigkeit der Zielstrukturen von 0,22<br />
mm [45].<br />
Im Ergebnis der Untersuchungen lässt sich im Bereich einer Registriergenauigkeit von<br />
0,4 bis 1,2 mm praktisch keine Abhängigkeit zur Genauigkeit von Planung und Inser-<br />
tionsergebnis, also zur Navigationspräzision, feststellen. Wird eine Registriergenauig-<br />
keit größer als 1,5 mm vom System angezeigt, sollte für den Einsatzbereich der denta-<br />
len Implantologie der Navigationsprozess abgebrochen und der Vorgang der Registrie-<br />
rung der Koordinatensysteme wiederholt werden. Zusammenfassend ist die Anzeige<br />
und kritische Bewertung der Registriergenauigkeit zwar wichtig um gravierende Feh-<br />
ler bei der weiteren Navigation frühzeitig zu erkennen, jedoch sollte von diesem Zah-<br />
lenwert ausgehend nicht vorbehaltlos auf die Genauigkeit des gesamten Navigations-<br />
vorganges geschlossen werden.<br />
Watanabe et al. gaben bereits 1987 bei der Erstbeschreibung ihres mechanischen Neu-<br />
ronavigators eine Genauigkeit im Bereich von 1 mm bis 5 mm an [125].<br />
Hilbert, Marmulla und Strunz [55] führten Genauigkeitsmessungen zwischen einem<br />
mechanischen (Viewing Wand, Firma ISG) und einem lasergeleiteten mikroskopischen<br />
Positionierungssystem (MKM, Firma Carl Zeiss) System mit Hilfe eines geometri-<br />
schen Messobjektes durch. Bei den Messungen wird die Genauigkeit, d.h. die korrek-<br />
te Positionsangabe von Punkten, deren räumliche Daten bereits bekannt sind, mitein-<br />
ander verglichen. Die Autoren differenzieren zwischen der Positionierungsgenauigkeit<br />
des Navigationssystems und einer systemimmanenten Genauigkeit, die zunächst die<br />
Präzision ohne digitalen Datensatz untersucht. Das Messprotokoll des lasergeleiteten<br />
Positionierungssystems MKM zeigt hierbei eine signifikant geringere Abweichung<br />
67
(Mittelwert = 0,27 mm, Standardabweichung +/-0,19 mm) als das mechanische Sys-<br />
tem Viewing Wand (Mittelwert = 0,48 mm, Standardabweichung +/- 0,36 mm). In<br />
der zweiten Messreihe wurden dann vergleichend CT-Datensätze benutzt. Nach Refe-<br />
renzierung an 4 Eckpunkten des Modells wurden die Messpunkte einzeln angefahren.<br />
Hier lagen die Messwertabweichungen höher gegenüber dem Messprotokoll 1. Der<br />
Mittelwert der Abweichung bei der Viewing Wand betrug 0,83 mm. Das MKM zeigte<br />
eine mittlere Abweichung von 0,49 mm. Die Autoren nehmen an, dass die 1,7fache<br />
Genauigkeitsverschlechterung hauptsächlich auf den Vorgang der Referenzierung zu-<br />
rückzuführen ist. Daneben spielen Ungenauigkeiten im Datensatz eine Rolle.<br />
In einer weiteren Genauigkeitsstudie der gleichen Arbeitsgruppe [72] werden 5 Syste-<br />
me „Viewing Wand“, „SMN-Mikroskop“ (Firma Carl Zeiss), MKM-System (Firma<br />
Carl Zeiss), „STP-Pointer“ (Firma Leibinger) und der 3-Space-Digitizer (Firma Pohl-<br />
emus) untersucht. Das „SMN-Mikroskop“ ist ein infrarotgeführtes Mikroskop mit<br />
lasergeführtem Autofokus. Das MKM-System stellt die vollautomatische Plattform des<br />
selben Funktionsprinzips dar. Der STP-Pointer ist ein optisches System, das auf der<br />
Infrarottechnologie basiert und ist baugleich mit dem in den eigenen Untersuchungen<br />
verwendeten STN-System der Firma Carl Zeiss. Der „3-Space Digitizer“ stellt ein<br />
elektromagnetisches Navigationssystem dar. Das experimentelle Vorgehen entspricht<br />
der oben genannten Studie. Die Systeme erreichen eine immanente Präzision zwischen<br />
0,1 und 2,0 mm. Aufgrund von komplexen sphärischen Verzerrungen elektromagneti-<br />
scher Felder in Gegenwart von Metall oder elektrischen Instrumenten ist das elektro-<br />
magnetische System der Fa. Pohlemus für den operativen Einsatz am Patienten aus<br />
Sicht der Untersucher nicht geeignet. Die Arbeitsgruppe stellte weiter fest, dass der<br />
Chirurg bei Verwendung der „Viewing Wand“ mit einem Fehler von 2-3 mm rechnen<br />
muss. Für eine höhere Präzision werden Navigationssysteme auf Laser- und Infrarot-<br />
basis erforderlich. Aber auch bei diesen Systemen kann sich die intraoperative Präzi-<br />
sion durch ungünstige geometrische Anordnung von Referenz- und Zielpunkten auf<br />
bis zu 2 mm verringern.<br />
Grampp, Truppe et al. [40] berichten über eine Phantomstudie mit einem dentalen<br />
Bohrinstrument unter Verwendung von mechanischen Trackern. Die Zielgenauigkeit<br />
68
wird mit durchschnittlich 1,5 mm angegeben. Diese vielversprechenden Werte und die<br />
Tatsache der geringen Größe der Sensortechnik, veranlassten auch Seipel [103], ein<br />
magnetisches Trackingsystem MINAS (Minimalinvasives intraorales Navigation-<br />
system) zum Einsatz in der dentalen Implantologie und Navigation zu konzeptieren.<br />
Von Schlenzka [94] wurde die klinische Anwendbarkeit eines Computernavigations-<br />
systems bei der lumbalen Pedikelschraubeninsertion an 30 Patienten untersucht. Es<br />
wurden insgesamt 174 Pedikelschrauben implantiert. Bei 139 Schrauben (79,9 %)<br />
konnte das System eingesetzt werden. Die Verifizierung der Schraubenlage erfolgte<br />
am postoperativen CT. Von den 139 computerassistiert eingebrachten Schrauben lagen<br />
133 (95,7 %) perfekt innerhalb des Pedikels. Bei 6 Schrauben (4,6 %) wurde eine<br />
laterale Perforation der Pedikelkortikalis bis maximal 4 mm registriert. Von den 35<br />
Schrauben, die ohne Navigationssystem eingebracht wurden, perforierten 5 (14,3%).<br />
Die Differenz der Perforationsraten war statistisch signifikant (χ²- Test p=0,03). Alle<br />
Schrauben wurden von 2 erfahrenen Operateuren positioniert. Es konnte zusammen-<br />
fassend eine signifikante Verbesserung der Genauigkeit im Lendenwirbelsäulenbereich<br />
erzielt werden.<br />
Wegen der Vorteile im klinischen Einsatz wurden in den letzten Jahren zunehmend<br />
optische Navigationssysteme eingesetzt.<br />
Zamorano et al. [138] gaben in ihren Untersuchungen die Genauigkeit eines optischen<br />
Tracking-Systems mit 0,1 mm und die intraoperative Gesamtgenauigkeit mit ca. 1 mm<br />
an.<br />
Für den Einsatz in der Neurochirurgie ermittelte Schaller et al. [93] in einer Studie<br />
mit 48 Patienten, die 53 intracranielle Läsionen aufwiesen, eine Navigationsgenauig-<br />
keit von < 3 mm. Die Navigation erfolgte pointergestützt mit dem System SPOCS<br />
von der Firma Aesculap.<br />
Schramm [100]stellt keinen signifikanten Genauigkeitsunterschied zwischen der Ver-<br />
wendung von invasiven Schraubenmarkierungen (0,9 mm) und der Referenzierung<br />
69
über zahngetragene Miniplastschienen (1,0 mm) fest. Die Untersuchung erfolgte auf<br />
Grundlage von CT-Datensätzen und gibt den vom Gerät ermittelten RMS-Wert an.<br />
Die in der vorgestellten Studie unter simulierten Op-Bedingungen und im realen klini-<br />
schen Einsatz erreichte Präzision bestätigt auch für den Indikationsbereich der denta-<br />
len Implantologie die in der Literatur vorgefundenen Angaben über die Genauigkeit<br />
optischer Navigationssysteme.<br />
4.4 Klinischer Einsatz<br />
4.4.1 Bildgebung<br />
Vor der Insertion dentaler Implantate in Risikoregionen und bei ausgeprägter Kno-<br />
chenatrophie wird zunehmend eine dreidimensionale Diagnostik empfohlen. Der Na-<br />
vigationsprozess setzt zudem zwingend eine 3D Diagnostik voraus. In den meisten<br />
Fällen wird ein CT durchgeführt. Deshalb erscheinen die Fragen nach den Aufnahme-<br />
bedingungen und nach der Reduzierung der Strahlenbelastung besonders wichtig.<br />
Da die intraoperative Genauigkeit von Navigationssystemen bereits von der Erstellung<br />
der Bilddaten in entscheidendem Maße abhängig ist, müssen diese unter besonderen<br />
Bedingungen erfasst werden [27, 133]. Hier ist eine enge Zusammenarbeit zwischen<br />
Klinikern und Radiologen notwendig. Ein typischer, für die dentale Implantologie<br />
geeigneter Datensatz umfasst etwa 40 bis 50 Einzelbilder und es wird typischerweise<br />
ein Spiraldatensatz erstellt. Zur Verbesserung der z-Auflösung sollte mit einem mög-<br />
lichst geringen Tischvorschub gearbeitet werden. Dabei ist allerdings die Strahlenbe-<br />
lastung wegen der höchsten Schichtzahl auch größer. Die modernen Spiral-CT arbei-<br />
ten mit kontinuierlicher Bewegung von Tisch und Rotation der Aufnahmeeinheit, so<br />
dass prinzipiell in beliebigen Abständen Schichten berechnet werden können. Aller-<br />
dings wird mit einem erhöhten Tischvorschub zwar die Strahlenbelastung geringer,<br />
aber auch die Ortsauflösung schlechter. Eine Rückrechnung der Einzelschichten auf<br />
einen geringeren Abstand als 1 mm ist deshalb bei der derzeitigen Auflösung nicht<br />
sinnvoll.<br />
Die so gewonnenen CT-Aufnahmen sind gleichermaßen für Diagnostik und Navigati-<br />
on geeignet. Weiterhin wesentlich für die Durchführung der präoperativen Bildgebung<br />
70
ist die Lagerung des Patienten während der Aufnahme. Es darf natürlich nicht vor-<br />
kommen, dass sich der Patient während der Aufnahme bewegt. Da die Aufnahmezeit<br />
heute zwischen 4 bis 10 Sekunden liegt, ist dieses Problem sicherlich ohne spezielle<br />
Haltevorrichtungen zu beherrschen [124]. Der Patient sollte angewiesen werden, in<br />
ruhiger, entspannter Haltung auf dem Rücken zu liegen und die Augen geschlossen zu<br />
halten. Die Kauebene sollte parallel zur Röntgeneinheit positioniert sein.<br />
Zur Strahlenbelastung durch CT-Untersuchungen finden sich in der Literatur relativ<br />
wenig Untersuchungen, die aufgrund der deutlich differenten Methoden in Ihren Er-<br />
gebnissen nur schlecht vergleichbar sind.<br />
Eine Aussage kann über die mittlere Dosis der Haut getroffen werden. Sie beträgt<br />
beim Dünnschicht-CT des Ober- und Unterkiefers 0,25 bis 0,3 mSv pro Schicht. Be-<br />
zogen auf eine gesamte Untersuchung des Ober- und Unterkiefers ergibt sich eine<br />
Länge des Volumenscans von etwa 100 mm. Bei einer Schichtdicke von 1,5 mm ist<br />
die Hautdosis pro Untersuchung mit 16 bis 18 mSv zu beziffern. Die Hautdosis eines<br />
Orthopantomogramms beträgt 0,3 bis 2 mSv und bei einer Thoraxaufnahme 1,5 mSv<br />
[107, 132, 137].<br />
Die mittlere jährliche natürliche Strahlenbelastung auf Grund der kosmischen Strah-<br />
lung (Weltraum, Sonne) beträgt in Meereshöhe 0,3 mSv. Es sei erwähnt, dass die<br />
gesamte natürliche Strahlenbelastung, die sich aus der kosmischen, der inkorporierten<br />
und der terrestrischen zusammensetzt, in Meereshöhe im Mittel pro Jahr 2,4 mSv be-<br />
trägt.<br />
Von Haßfeld [47, 51] wurden Untersuchungen zur Strahlenexposition und Dosisreduk-<br />
tion im CT am Phantom durchgeführt. Die gemessene Energiedosis betrug bei 187,5<br />
mAs Röhrenstrom/Umlaufzeit, 1 mm Schichtdicke, 55 mm Scanstrecke 29 mGy. Im<br />
Falle von Röntgenstrahlung ist die Energiedosis in Gy gleich der Äquivalenzdosis, die<br />
in Sv angegeben wird. Bei einer Reduzierung des Röhrenstroms/Umlaufzeit auf 45<br />
mAs wurde unter sonst gleichen Bedingungen eine Reduzierung der Energiedosis auf<br />
6,9 mGy bzw. mSv erreicht.<br />
Wird die Computertomographie als Ausgangsdatensatz zur Navigation gewählt, ist in<br />
erster Linie die Darstellung knöcherner Strukturen von Interesse.<br />
In der Strahlenbelastung durch das präoperative CT ist nicht selten der Hindernis-<br />
grund für den Einsatz der intraoperativen Navigation zu sehen. Die Dosisreduktion<br />
71
durch Erniedrigung der Röhrenleistung (low dose CT) wird in der Lungendiagnostik<br />
seit längerer Zeit erfolgreich praktiziert. Durch Haßfeld [47, 51] wurde der Einsatz<br />
solcher dosisreduzierter Protokolle auch im Bereich des Gesichtsschädels untersucht.<br />
Die Scans wurden ebenfalls in Spiraltechnik mit einer Schichtdicke von 1,5 mm, ei-<br />
nem Spiralenvorschub (Tischvorschub) von 1,5 mm und einem Rekonstruktionsindex<br />
von 1 mm gefahren. Die Röhrenspannung betrug 130 kV, das Produkt aus Röhren-<br />
stromstärke und Scanzeit wurde von 187,5 mAs stufenweise bis auf 30 mAs verrin-<br />
gert. Eine Reduzierung bis auf 45 mAs erbrachte keine wesentlichen Qualitätseinbu-<br />
ßen in der Darstellung des Mandibularkanals. Die Ergebnisse lassen sich aufgrund der<br />
fehlenden Weichteile nicht vorbehaltlos auf den klinischen Fall übertragen. Mit gerin-<br />
gen Informationseinbußen lässt sich die effektive Strahlenbelastung beim CT im Falle<br />
der hauptsächlichen Knochendarstellung auf die Hälfte bis ein Viertel reduzieren.<br />
Auch eine Reduktion der Überlappung durch Veränderung von Schichtdicke und<br />
Tischvorschub im Spiral-CT wird diskutiert.<br />
Durch entsprechende Parameterwahl lässt sich die Strahlendosis einer CT-<br />
Untersuchung in Grenzen halten, die mit konventionellen Aufnahmen vergleichbar<br />
sind. Die Belastung radiosensitiver Organe, wie Schilddrüse und Augenlinse, kann<br />
durch geeignete Schichtwahl oft vermieden werden.<br />
Wegen der möglichst exakten Darstellung der Referenzierungspunkte haben wir aus-<br />
gehend vom Scan-Protokoll 1,5; 1,5; 1,0 mm keine Veränderungen vorgenommen.<br />
Im Rahmen der klinischen Anwendungen könnte ohne Qualitätseinbußen das Produkt<br />
aus Röhrenstrom und Scanzeit auf 75 mAs reduziert werden.<br />
Von Haßfeld [49] wurden weiterführende Möglichkeiten der Magnetresonanztomogra-<br />
phie der Kieferregion als bildgebendes Verfahren zur präimplantologischen Diagnostik<br />
untersucht. Die MRT des Kiefers und des Mittelgesichtes stellt den Canalis mandibu-<br />
laris, den Sinus maxillaris und andere entscheidende anatomischen Strukturen durch<br />
Darstellung des den Knochen umgebenden Bindegewebes dar. Artefakte durch metal-<br />
lische Zahnfüllungen beeinträchtigen die Bildqualität. Deshalb ist die MRT hauptsäch-<br />
lich in der präimplantologischen Diagnostik des zahnlosen Kiefers zu empfehlen. Die<br />
MRT liefert kontrastreiche und metrisch korrekte Bilder. Wesentliche Nachteile sind<br />
heute noch gegenüber der CT die geringere Ortsauflösung und die durch die längere<br />
72
Untersuchungszeit bedingt höhere Artefaktanfälligkeit. Bei den raschen technischen<br />
Fortschritten auf dem Gebiet der bildgebenden Diagnostik ist sowohl in der CT durch<br />
den Einsatz von Multidetektorsystemen eine weitere Reduzierung der Strahlenbelas-<br />
tung, als auch in der MRT eine Verbesserung der Ortsauflösung zu erwarten.<br />
4.4.2 Registrierverfahren<br />
Allen Navigationssystemen gemeinsam ist die Notwendigkeit vor Beginn der Naviga-<br />
tion die aktuelle Position des Patienten mit dem Datensatz abzugleichen. Bei dem Vor-<br />
gang der Registrierung werden auf unterschiedliche Weise Punkte des Patienten (ana-<br />
tomische Strukturen) mit identischen, eindeutig lokalisierbaren Punkten in den<br />
Bilddaten korreliert. Dazu kommen prinzipiell unterschiedliche Verfahren zum Ein-<br />
satz.<br />
Die etablierten nicht invasiven Verfahren wie Hautmarkierungen reduzieren erheblich<br />
die Genauigkeit. Die Wahl des Registrierungsverfahrens hat entscheidenden Einfluss<br />
auf die Genauigkeit des folgenden Navigationsprozesses. Fehler bei der Registrierung<br />
können durch Verschiebung der Marker oder durch deren ungünstige Verteilung ent-<br />
stehen. Fehler ergeben sich auch durch die Markierung der Marker im Datensatz am<br />
Computermonitor. Im klinischen Anwendungsfall kommt die Ungenauigkeit der<br />
Weichteilverschiebungen durch Schwellungen, Intubationsschleuche oder durch das<br />
Ankleben steriler Abdeckungen hinzu.<br />
Die invasiven Verfahren wie implantierte Titanschraubenmarkierungen sind zwar ge-<br />
nauer, jedoch nicht in jeder Anwendung praktikabel und der Schwere des operativen<br />
Eingriffes angemessen.<br />
Im Hinblick auf die Lage der Registrierpunkte ergab sich in den Untersuchungen von<br />
Haßfeld eine hochsignifikante Abhängigkeit von Anzahl und Verteilung der Regist-<br />
rierpunkte [47].<br />
Zunehmend werden oberflächenbasierte Konzepte zur automatischen Registrierung der<br />
Patientenlage beschrieben [35, 41, 111]. Die Patientenoberfläche wird hierzu mit ei-<br />
nem Laserscanner abgetastet oder mit strukturiertem Licht beleuchtet. Der entstandene<br />
Datensatz wird mit der Oberflächendarstellung der diagnostischen Bilddaten vergli-<br />
chen und gematcht.<br />
73
4.4.2.1 Invasive Registrierverfahren<br />
In der Regel war bisher eine starre Fixierung des Patienten während der Operation<br />
notwendig. Durch den Einsatz der in den Schädel eingeschraubten Mayfield-Klemme<br />
kann der Patient sehr zuverlässig fixiert werden.<br />
Bei neurochirurgischen Eingriffen werden teilweise präoperativ Schrauben implan-<br />
tiert, die an ihrem Kopfende jeweils für CT- oder MRT- Datenerfassung taugliche<br />
Komponenten tragen. Die experimentell erprobte und später klinisch eingesetzte Ver-<br />
wendung von interossär verankerten Schrauben eliminierte eine Reihe von Problemen,<br />
die mit der Klebemarkerregistrierung verbunden sind.<br />
Das feste Einspannen des Kopfes und die Implantation von Markierungen sind für die<br />
meisten Eingriffe im Mund- Kiefer- und Gesichtschirurgischen Bereich nicht akzepta-<br />
bel. Für die navigierte Insertion von dentalen Implantaten ist dieses Vorgehen kaum<br />
möglich [47].<br />
Abb. 38: Starre Lagerung in der Mayfield-Klemme<br />
74
4.4.2.2 Nichtinvasive Markersysteme<br />
Nichtinvasive Markersysteme sind auf die Haut aufklebbare, radioluzente oder metal-<br />
lische Marker. Der Einsatz solcher Markersysteme ist allerdings durch die Verschieb-<br />
barkeit der Haut, die kurze Haltbarkeit und die schlechte Reproduzierbarkeit begrenzt.<br />
Alter, Hauttugor und sogar die Lagerung des Patienten während der Bildgebung und<br />
auf dem Operationstisch sind entscheidende Faktoren, welche die Registrierung beein-<br />
flussen. Bei unachtsamer Lagerung oder Anbringung dieser Marker kann sich die La-<br />
ge wesentlich verschieben.<br />
Ein solches auf Klebemarkern basierendes System ist praktisch für die Genauigkeits-<br />
anforderungen der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie und insbesondere für die<br />
navigationsgestützte Implantation ungeeignet.<br />
Mit konfektionierten Kopfhalterungen kann der Kopf des Patienten mehr oder weniger<br />
sicher fixiert werden. Die Halterung sollte nicht mit der präoperativen Bildgebung<br />
interferieren und keine zusätzlichen Artefakte bilden. Die Systeme werden meist, ähn-<br />
lich dem Gesichtsbogen eines Artikulators, in den beiden äußeren Gehörgängen, am<br />
Nasion sowie in der Scheitel- und Hinterhauptsregion abgestützt. Hier bereiten noch<br />
Repositionierungsfehler und eine nicht ausreichend stabile Fixierung am Schädel Prob-<br />
leme. Vor Beginn jeder Registrierung muss der Patient so gelagert werden, dass nach<br />
der folgenden Montage des Systems der chirurgische Zugangsweg nicht behindert<br />
wird. Es besteht aus unserer Sicht durch die Einbeziehung von zahngetragenen Halte-<br />
systemen noch Entwicklungspotential. Allerdings ist derzeit kein System bekannt, was<br />
den Anforderungen hinsichtlich Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und praktischer An-<br />
wendbarkeit bei der Implantation genügen könnte.<br />
Falls der präoperative Datensatz ohne vorhandene Referenzierungssysteme angefertigt<br />
wurde, besteht noch die Möglichkeit der Registrierung über anatomische Landmarken<br />
(Spina nasalis anterior, Cuspis des Eckzahnes, der Interdentalraum zwischen 11 und<br />
22 oder im Unterkiefer das Foramen mentale) zur Verfügung. Diese sehr fehlerbehaf-<br />
tete und sehr subjektive Methode sollte nur im Notfall bei bereits ohne Registrie-<br />
rungshilfen angefertigten Datensatz, eingesetzt werden.<br />
75
4.4.2.3 Kiefergetragene Referenzierungssysteme<br />
Bei entsprechender Handhabung können sicherlich alle bisher aufgeführten Methoden<br />
bei den verschiedenen Indikationen ihre spezifische Anwendung finden.<br />
Für den Routineeinsatz in der Implantatchirurgie ist jedoch nur das in der Untersu-<br />
chung beschriebene nichtinvasive, jederzeit reproduzierbar anzubringende Schienenre-<br />
ferenzierungssystem auf der Basis einer individuellen Miniplastschiene geeignet. Es ist<br />
sowohl am Ober- und am Unterkiefer zu befestigen. Gestaltungsmöglichkeiten dieser<br />
Schienen, um Artefakte auszuschalten und die Genauigkeit zu erhöhen, wurden bereits<br />
beschrieben (Kap. 3.3, Seite 52).<br />
Bisher musste bei kommerziell verfügbaren Systemen stets mit fixierten Patienten (in<br />
der Regel fest verschraubter Kopfrahmen am Operationstisch) gearbeitet werden. Das<br />
war notwendig, um das Bezugskoordinatensystem zu halten. Die vorgestellte Schie-<br />
nenreferenzierung ermöglicht zusätzlich eine Befestigung des Referenzgebers an der<br />
Schiene. Damit wird eine Navigation am frei beweglichen Kopf präzise durchführbar.<br />
Eine weitere, einfache Methode der Patientenkopfregistrierung ist die Verwendung<br />
von konfektionierten Abdrucklöffeln in Verbindung mit einem Alginat- oder Silikon-<br />
abdruckmaterial. Insbesondere wenn ein Silikon als Abdruckmasse verwendet wird,<br />
ist eine gute Reproduzierbarkeit möglich. Der veränderte konfektionierte Abdrucklöf-<br />
fel ist in der Abbildung (Abb. 39) dargestellt. Um eine Adaptation des Referenzsterns<br />
zu ermöglichen, wurde ein entsprechender Ansatz an den Löffel angebracht.<br />
Abb. 39: Einfache und schnelle Referenzierung über modifizierten Abdrucklöffel<br />
Auch individuelle Abdrucklöffel mit eingearbeiteten Schraubenmarkierungen sind her-<br />
76
stellbar und in der Navigationschirurgie des Kopfes auf verschiedenen Fachgebieten<br />
einsetzbar. Da jedoch der Alveolarfortsatz durch den konfektionierten oder individuel-<br />
len Abdrucklöffel abgedeckt wird, ist eine chirurgische Intervention oder Implantation<br />
am Alveolarfortsatz als eine der wenigen Indikationen nicht möglich.<br />
Zur Registrierung des unbezahnten Kiefers wird in Anlehnung an Seipel [103] vorge-<br />
schlagen, drei Referenzpunkte auf der Mundschleimhaut des Alveolarfortsatzes durch<br />
punktförmige Tätowierungen zu markieren. Die Markierungen sollten möglichst in<br />
der Mitte des unbezahnten Alveolarfortsatzes liegen, um so beim späteren Einmessen<br />
gut zugänglich zu sein. Vor der computertomographischen Datenerfassung wird eben-<br />
falls eine Schiene mit Hülsenmarkierungen hergestellt. Durch diese vorzugsweise in<br />
der Incisivus- und Molarenregion platzierten Hülsen kann die punktförmige Tätowie-<br />
rung erfolgen. Während der CT-Diagnostik kann diese Schiene über Aufbissbänkchen<br />
bimaxillär fixiert werden. Zur späteren intraoralen Referenzierung dienen Tätowie-<br />
rungen auf der Schleimhaut. Alternativ können, wie von Seipel beschrieben, soge-<br />
nannte Fiducial Markers in Form von Metallblättchen direkt auf die Tätowierungen<br />
mit biokompatiblem Kleber aufgebracht werden.<br />
Für die Anwendung in der MRT als bildgebendes Medium ist die Referenzierung<br />
durch metallische Marker nicht sinnvoll [134, 139].<br />
Abb. 40: Miniplastschiene für die MRT-Navigation<br />
77
Hier muss auf MRT-sichtbare Systeme oder Kontrastmittel zurückgegriffen werden.<br />
Die Abbildung (Abb. 40) zeigt eine für die MRT angepasste Miniplastschiene mit gut<br />
sichtbaren fetthaltigen Kapseln.<br />
Der Einsatz der dental getragenen Schiene vereint die Vorteile der Schraubenmarkie-<br />
rung und ermöglicht gleichzeitig eine freie Beweglichkeit des Patientenkopfes.<br />
4.5 Navigationssysteme für die Implantatinsertion<br />
Für die Akzeptanz eines computergestützten Navigationssystems in der Zahnarztpraxis<br />
muss eine möglichst einfache Technologie gefunden werden, die den klinischen Hand-<br />
lungsablauf so wenig wie möglich beeinträchtigt.<br />
Jede Trackingtechnologie, die eine Einschränkung des Arbeitsfeldes während der Be-<br />
handlung mit sich bringt, ist nur schlecht zu vertreten. Für den Einsatz eines optischen<br />
Systems sollte die Kamera an der Decke oberhalb des Behandlungsstuhles angebracht<br />
sein. Die derzeit verfügbaren Systeme verlangen einen ausreichenden Abstand zwi-<br />
schen Kamera und zu überwachendem Instrument. Die beschriebene Konstruktion hat<br />
zudem einen relativ großen Abstand zwischen Messpunkt (Sensorsystem) und Arbeits-<br />
punkt (Spitze des Bohrers). Dabei ist zu bedenken, dass sich Messfehler in der Win-<br />
kellage des erfassten Messpunktes auf einen Positionsfehler fortpflanzen. Dieser zu-<br />
sätzliche Fehler ist proportional zum Abstand zwischen Messpunkt und Bezugspunkt.<br />
Zu berücksichtigen ist bei Einsatz eines optischen Systems weiterhin, dass die direkte<br />
Sichtlinie zwischen Geber und Empfänger nicht verdeckt wird. Diese Einschränkung<br />
muss zusätzlich als problematisch betrachtet werden, wenn man bedenkt, dass die<br />
Bohrinstrumente jeweils im Ober- und Unterkiefer zur Anwendung kommen und dabei<br />
um jeweils 180° gedreht benutzt werden. Die weitere Entwicklung der Sensortechnik<br />
muss zu einer ergonomischen Integration der Sensortechnik in die Arbeitsinstrumente<br />
führen.<br />
Da der Operateur sich in der Situation der Pilotbohrung auf die manuelle Führung des<br />
Instrumentes in der Mundhöhle konzentrieren muss, ist die Navigationshilfe durch<br />
78
visuelle Hinweise auf dem Computerbildschirm schwierig zu realisieren. Einige Auto-<br />
ren schlagen ein akustisches Feedback in dieser Arbeitssituation vor [82, 103].<br />
Die Kennzeichnung anatomischer Risikoregionen und Grenzgebiete (N. alveolaris<br />
inferior oder Kieferhöhlenboden) kann in der dentalen Implantologie durch dreidimen-<br />
sionale Linienzüge erfolgen, die in den jeweiligen Schichten manuell eingezeichnet<br />
werden. Von einer automatischen Segmentierung sollte derzeit Abstand genommen<br />
werden. Zum einen manifestieren sich solche Regionen nicht durchgängig sicher im<br />
diagnostischen Bildmaterial, so dass eine automatische Erkennung und Segmentierung<br />
nicht sicher gewährleistet werden kann. Die Darstellung des Canalis mandibularis<br />
beispielsweise kann in den CT-Schichten bei unterschiedlichen Patienten stark variie-<br />
ren. Zum anderen ist es nicht selten wünschenswert, bestimmte Sicherheitsabstände in<br />
Umgebung kritischer Regionen einzuhalten. Die dabei angewandte Sicherheitsmargi-<br />
nale sollte im Ermessen des planenden Arztes liegen und wird sicherlich von Fall zu<br />
Fall verschieden sein.<br />
Seipel [103] schlägt deshalb vor, ein mehrkanaliges Datenmodul zu verwenden, das<br />
erlaubt, jedes einzelne Voxel einer kritischen Region als „CAVE“ zu kennzeichnen.<br />
Kommt es zu einer Kollision bei Planung oder bei der navigierten Implantatinsertion<br />
mit einem solchen „CAVE“-Volumen, kann die Software diese entsprechend visuali-<br />
sieren oder akustisch mitteilen.<br />
Die dreidimensionale Implantatplanung und die entsprechende Visualisierung des Imp-<br />
lantatbohrers im Raum repräsentieren eine der komplexesten Aufgaben, die in der<br />
weiteren Entwicklung der Software zu lösen sind.<br />
In ihrer Arbeit über ein dreidimensionales System zur Planung von plastischen Opera-<br />
tionen fordern Pieper et al. [87], dass der Kliniker im jeweiligen Interface ausschließ-<br />
lich mit den Problemen konfrontiert wird, die die momentane klinische Aufgabe wi-<br />
derspiegeln.<br />
4.6 Aktuelle Entwicklungen und Ausblick<br />
Die Verbesserung der technischen Genauigkeit von Navigationssystemen ist ein<br />
wesentlicher Forschungsgegenstand. Verschiedene Gewebe eignen sich unterschiedlich<br />
für den Einsatz der computerassistierten Operationsnavigation. Bei Hartgeweben kann<br />
79
auf Grundlage präoperativer Daten eine Planung erstellt werden, die das System intra-<br />
operativ umsetzen kann. Bei Weichgeweben ist dies jedoch nicht in gleicher Weise<br />
möglich. Im Rahmen der Operation kommt es aufgrund der Elastizität zu Verformun-<br />
gen, die bis heute nicht sicher simuliert werden können [37, 77, 120, 127]. Zusätzlich<br />
müssen die Weichteilveränderungen durch die intraoperativ eintretende Schwellung<br />
berücksichtigt werden. Zur Unterstützung von Weichteileingriffen werden in Zukunft<br />
Methoden der intraoperativen Bildgebung, wie 3D-Ultraschall [79, 91, 123] oder die<br />
Bildgebung im offen MRT in den Navigationsprozess eingebunden.<br />
Der Schwerpunkt des Navigationseinsatzes liegt deshalb bei gegenwärtig technisch<br />
realisierbaren Eingriffen am Hartgewebe. Dabei ist eine sicher reproduzierbare Ge-<br />
nauigkeit von 1 mm zu erreichen. Unter der Voraussetzung einer sorgfältigen Regist-<br />
rierung liegt die Genauigkeit dabei im Bereich der CT-Schichtdicke der zur Navigati-<br />
on verwendeten Bilddaten.<br />
Die Anbindung von motorbetriebenen Instrumenten bereitet aufgrund der Rechnerka-<br />
pazitäten Schwierigkeiten in der Echtzeitdarstellung. Oft ist die Geschwindigkeit der<br />
Visualisierung noch nicht zufriedenstellend. Echtzeitdarstellung wird oft nur mit einer<br />
Reduktion des Datensatzes erreicht. Die Systeme sind zudem wenig in die im Operati-<br />
onssaal bereits vorhandenen technischen Einrichtungen integriert.<br />
Es besteht noch eine gravierende Diskrepanz zwischen der wissenschaftlichen Ent-<br />
wicklung von Tools mit zum Teil sehr komplexer Software und der Realisierung mit<br />
einfacher Handhabbarkeit für den Chirurgen. Diese Problematik wird ein großes Hin-<br />
dernis auf dem Weg von der technologischen Entwicklung zur Anwendung in der Pra-<br />
xis sein.<br />
Während des eigentlichen Eingriffs muss der Chirurg häufig seinen Blick vom Patien-<br />
ten abwenden, um auf den ungünstig platzierten Bildschirm zu schauen. Während in<br />
der präoperativen Planungsphase allein die virtuelle Realität bearbeitet wird, ist für<br />
die intraoperative Umsetzung auf den realen Patienten das Übereinanderlegen von<br />
virtueller und realer Welt notwendig. Haßfeld nennt diese Technik „augmented reali-<br />
ty“ [48]. Diese Technik führt also virtuelle Planungselemente wie Schnittführungen,<br />
Bohrlöcher und Tumorgrenzen mit dem Patientensitus unmittelbar zusammen. Eine<br />
Möglichkeit dies technisch zu realisieren wird bereits heute durch eine Einspiegelung<br />
der Plandaten in das Mikroskop erreicht. Auch wäre die Sichtbarmachung durch Ein-<br />
80
spiegelung in eine Operationsbrille denkbar. Derartige Head-mounted-Displays<br />
(HMD) sind aus dem militärischen Bereich, zur Zieleinspiegelung für Piloten bekannt.<br />
Auch eine unmittelbare Projektion auf den Patienten wäre denkbar [64].<br />
Eines der Kernprobleme der berührungslosen Navigation sieht Möckel [82] in der Ab-<br />
schattung des Objektes durch das medizinische Personal und andere Geräte im Opera-<br />
tionssaal. Zur Überwindung dieses Problems wird vorgeschlagen, hybride Kombinati-<br />
onen von verschiedenen unabhängigen Ortungsverfahren (optisch, elektromagnetisch<br />
und akustisch) in einem Gerät zu vereinigen. Darüber hinaus wird empfohlen, die<br />
Systeme durch zusätzliche Sensoren mehrfach redundant zu gestalten. Dieses vorge-<br />
schlagene hybrid-redundante System soll die räumliche und zeitliche Genauigkeit stei-<br />
gern.<br />
Die Anschaffungspreise für Navigationssysteme von derzeit DM 250.000 bis DM 1<br />
Millionen sind deutlich zu hoch, um eine Verbreitung der 3D-Navigation zu fördern.<br />
Ein weiteres Problem stellt das Upgrading der Systeme bei der Weiterentwicklung<br />
dar. Beim Tempo der derzeitigen Entwicklung kommen immer wieder Kosten auf die<br />
Kliniken zu. Die Weiterentwicklung der spezifischen Geräte bringt fast im jährlichen<br />
Abstand neue Hard- und Softwarevarianten mit erheblichen Veränderungen hervor.<br />
Will man Schritt halten, sind nicht selten Investitionen von mehr als einem Drittel des<br />
ursprünglichen Kaufpreises aufzubringen.<br />
4.6.1 Indikationsgebiete für Navigationssysteme<br />
In den folgenden medizinischen Spezialisierungen belegt der routinemäßige Einsatz<br />
oder auch erste Erfolge das Potential von Navigationsmethoden und -systemen:<br />
• Neurochirurgie [43]<br />
• Orthopädie und Traumatologie [7, 34]<br />
• Strahlentherapie [56]<br />
• Radiologie, Interventionsradiologie [104]<br />
• Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie [3, 24]<br />
• Minimalinvasive Chirurgie (Endoskopie, Laparoskopie, Arthroskopie)<br />
[28, 29, 30, 54, 60, 112]<br />
81
• Implantologie (Hüft- und Knieendoprothesen) [95, 109]<br />
• Navigationsgestützte virtuelle Endoskopie [43, 90]<br />
Ausgehend von dem aktuellen Entwicklungsstand der computerassistierten Chirurgie<br />
sind die folgenden Indikationsgebiete in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie<br />
denkbar:<br />
• Orthognathe Chirurgie, Planung und navigierte Operation von<br />
Dygnathien (Kieferfehlstellungen) Segmentnavigation [25, 71, 122]<br />
• Kraniofaziale Chirurgie [39]<br />
• Tumorchirurgie [121, 135]<br />
• Schädelbasisnahe Chirurgie, Eingriffe nahe oder mit Beteiligung von<br />
Hirnstrukturen [52]<br />
• Chirurgie von Mittelgesichtsdefekten, Orbitarekonstruktionen, Optikus-<br />
dekompressionen [129]<br />
• Fremdköperentfernungen [61]<br />
• Insertion von Implantaten [12, 88, 97, 101, 105, 128]<br />
• Navigationsgestützte Endoskopie und Arthroskopie [89, 114]<br />
• Distraktionsplanung und planungsgerechte Insertion von Distraktoren<br />
[130]<br />
• Traumatologie mit Möglichkeit zur virtuellen Fragmentreposition [96]<br />
• Rekonstruktion von Defektfrakturen [70]<br />
• Telenavigation und Expertenkonsultation [119]<br />
• Einsatz des Systems in der Lehre und ärztlichen Weiterbildung [47]<br />
4.6.2 Analyse ausgewählter Einsatzgebiete in der MKG-Chirurgie<br />
4.6.2.1 Traumatologie und Segmentnavigation<br />
Die relative Ungeschütztheit des Gesichtsbereiches führt bei Unfällen und Rohheitsde-<br />
likten nicht selten zu Verletzungen. Der überwiegende Teil der Frakturen muss opera-<br />
82
tiv behandelt werden. Die einzelnen Knochenfragmente werden unter Sicht positio-<br />
niert und durch spezielles, sehr graziles Osteosynthesematerial (Platten und Schrau-<br />
ben) fixiert. Bei allen Eingriffen im Gesichtsbereich sind die Zugangswege aus ästhe-<br />
tischen Gründen begrenzt. Der Zugang erfolgt durch den Mundraum und möglichst<br />
sehr kleine Hautschnitte in unauffälligen Regionen. Zusätzlich zu dem oft nur sehr<br />
kleinen Einblick in das Operationsgebiet liegen nicht selten Schwellungen der Ge-<br />
sichtsweichteile vor. Die exakte dreidimensionale Reposition eines Knochenfragmen-<br />
tes mit hoher Genauigkeit ist im Allgemeinen schwierig. Einsatzmöglichkeiten sind in<br />
der navigationsgestützten Reposition von Fragmenten des Gesichtsschädels und in der<br />
exakten Planung und Insertion von Osteosynthesesystemen zu sehen.<br />
Die exakte Rekonstruktion komplexer angeborener oder traumatisch verursachter<br />
Knochenfehlstellungen ist auch für den erfahrenen Chirurgen eine große Herausforde-<br />
rung. Dabei ist häufig ein Durchtrennen des Knochens und sein Wiedereinfügen in<br />
korrekter Position erforderlich. Auch Umstellungsosteotomien werden vor dem Ein-<br />
griff im Labor geplant. Doch die Übertragung einer solchen Planung auf den Operati-<br />
onssitus ist oft nur eingeschränkt möglich. Naheliegend ist es deshalb, ein computer-<br />
gestütztes Navigationssystem auch bei profilverbessernden Eingriffen und bei Umstel-<br />
lungsosteotomien zur Übertragung der Operationsplanung auf den Operationssitus<br />
einzusetzen.<br />
Bei bignathen Eingriffen ist die räumliche Oberkieferposition von entscheidender Be-<br />
deutung. Sie stellt den Schlüssel zu einem funktionell befriedigenden und ästhetisch<br />
ansprechenden Ergebnis dar. Alle folgenden Operationsschritte bauen auf dieser exak-<br />
ten Positionierung auf. Die Planung im Artikulator kann zu Fehlpositionierungen bis 5<br />
mm führen. Die Einstellung des Oberkiefers bedarf einer Referenz. Somsiri [106]<br />
verwendete den Unterkiefer, um die geplante Position über einen intraoperativen<br />
Splint zu finden. Der Nachteil dieser Methode liegt in der fehlenden Fixierung der<br />
vertikalen Position des Unterkiefers [78].<br />
Durch die Arbeitsgruppe Marmulla et al. [68] wurde zusammen mit der Firma Carl<br />
Zeiss ein patentiertes Navigationssystem entwickelt, das sowohl eine computergestütz-<br />
te Simulation von Umstellungsosteotomien als auch eine präzise intraoperative Navi-<br />
gation verschiedener Knochensegmente ermöglicht [67, 69]. Der Surgical Segment<br />
Navigator (SSN) basiert ebenfalls auf einem dreidimensionalen Infrarot-<br />
83
Ortungssystem, mit dem die Orientierung und Bewegung der Knochensegmente ver-<br />
folgt wird. Die Knochensegmente tragen dabei jeweils einen Dynamischen Referenz-<br />
rahmen (DRF), der mit je drei Leuchtdioden bestückt ist. Über diese Marker wird der<br />
Infrarotkamera des Ortungssystems die Lage der jeweiligen Knochensegmente im<br />
Raum vermittelt. Im Navigationscomputer wird die Abweichung der aktuellen Position<br />
der Knochensegmente von ihrer geplanten Position berechnet. Die jeweilige Abwei-<br />
chung vom Ziel- oder Endpunkt der Bewegung wird dem Chirurgen graphisch oder im<br />
Koordinatensystem dargestellt.<br />
Das zunächst nur als Prototyp existierende Segmentnavigationsgerät (SSN) eröffnet<br />
neue Indikationsgebiete. Auf Grundlage des patentierten Verfahrens wird neben der<br />
präzisen Durchführung von Umstellungsosteotomien auch die Reposition von Fraktu-<br />
ren möglich sein. Die Präzision wird von Marmulla [68], gemessen an anatomischen<br />
Präparaten und im klinischen Einsatz, mit 0,7 mm angegeben. Neben Phantomunter-<br />
suchungen wurde der Prototyp des Gerätes bisher zur Knochensegmentnavigation der<br />
Maxilla bei der LE FORT I Osteotomie, zur Lagekontrolle der Kiefergelenke und zur<br />
Rekonstruktion der posttraumatisch deformierten Orbita eingesetzt.<br />
4.6.2.2 Einsatz in der rekonstruktiven Mittelgesichts- und Orbitachirurgie<br />
Verschiedene Arbeitsgruppen [33, 48, 73, 74, 129] setzten Navigationssysteme zur<br />
Orbita- und Mittelgesichtsrekonstruktion ein. Die Planung und Durchführung der Re-<br />
konstruktion von posttraumatischen Orbita- und periorbitalen Mittelgesichtsdefekten<br />
sind sehr komplex und stellen hohe Anforderungen an Operateur und Navigationsein-<br />
heit. Durch die Arbeitsgruppe Gellrich et al. [33] wurde die Software STP 3,5 modi-<br />
fiziert und um eine Mess- und Konturgebungsfunktion erweitert. Die Markierung in<br />
einer virtuellen Ebene ermöglicht es, den Datensatz der intakten Seite auf die defor-<br />
mierte Seite zu spiegeln. Dieses Spiegelungstool erlaubt die Rekonstruktion der exak-<br />
ten Bulbusposition. Die Größe und Position des zu transplantierenden Knochens in die<br />
Orbita kann navigationsgestützt ermittelt werden. Von der Arbeitsgruppe wurde die<br />
mittlere Genauigkeit des Systems mit circa 1 mm zwischen virtuellen und tatsächli-<br />
chen Patientendaten angegeben.<br />
84
Schramm [99] und Watzinger [131] stellen den Einsatz von Navigationssystemen zur<br />
Rekonstruktion von Oberkieferdefekten mittels Zygomaimplantaten vor. Das von<br />
Brånemark neu entwickelte Titanschraubensystem zur Verankerung osseointegrierter<br />
Schraubenimplantate im Jochbein erlaubt erstmals eine implantatprothetische Versor-<br />
gung des posterioren Oberkiefers ohne zusätzliche Knochenaugmentation. Bei der<br />
Versorgung komplexer implantatgetragener, prothetischer Rekonstruktionen erwies<br />
sich die Anwendung des Navigationssystems als sichere Methode, das angestrebte<br />
Rekonstruktionsziel zu erreichen.<br />
4.6.2.3 Navigationsgestützte minimal invasive Endoskopie<br />
In der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie ist die minimal invasive Chirurgie immer<br />
oberstes Ziel. Der direkte, offene Eingriff unmittelbar durch die Haut würde zumeist<br />
zu entstellenden Narben führen. Deshalb wurde schon früh versucht, die Hautoberflä-<br />
che intakt zu lassen und den Zugang über den Mund oder in wenig sichtbare Regionen<br />
zu verlegen. Endoskope werden häufig eingesetzt, um in der Tiefe von Körperhöhlen<br />
Orientierung zu behalten. Beispielhaft seien hier die enorale Versorgung von Kiefer-<br />
gelenksfrakturen oder die Chirurgie der Nasennebenhöhlen genannt.<br />
Die Tiefenorientierung ist vor allem in der Nasennebenhöhlenchirurgie problematisch,<br />
so dass diese technisch schwierigen Eingriffe dem versierten Chirurgen vorbehalten<br />
sind.<br />
Zur Navigation werden mit Infrarot-Leuchtdioden bestückte Endoskope verwendet.<br />
Am Bildschirm ist es dann möglich, das Ende des Endoskops in allen 3 Raumebenen<br />
genau zu lokalisieren. Prinzipiell können auch andere Instrumente in diese Operatio-<br />
nen einbezogen werden. Am Navigationsmonitor ist dann erkennbar, ob ein Instru-<br />
ment gerade an der Vorderwand des Sinus sphenoidalis oder an der Schädelbasis plat-<br />
ziert ist. Blutungen, welche zum endoskopischen Sichtverlust führen, können dank des<br />
Navigationssystems den Chirurgen kaum beeinträchtigen. Nach Vorbeck [118] ist es<br />
bei rein endoskopischer Nutzung ausreichend, den präoperativen Spiral-CT-Scan mit<br />
dem Protokoll 3/3/1 mm zu fahren. Für den Anwendungsbereich der Nasennebenhöh-<br />
len-Navigation wird als Dynamischer Referenzrahmen ein Headframe angeboten. Ein<br />
85
solches System vereinfacht die Registrierung. Auf das feste Einspannen des Kopfes<br />
kann verzichtet werden. Nachteil ist die relativ leichte Verschiebbarkeit dieser Refe-<br />
renzierungsbasis und damit die Gefahr der Dislokation und Ungenauigkeit bei der O-<br />
peration. Sollte sich der Headframe verschieben, ist eine erneute Referenzierung er-<br />
forderlich. Auch hier wird die Verwendung eines zahngetragenen Referenzierungs-<br />
systems empfohlen.<br />
Komplikationen bei der minimal-invasiven Nasennebenhöhlenchirurgie sind zwar sel-<br />
ten, jedoch schwerwiegend. Gross et al. [42] berichteten über 16 % geringfügige<br />
Komplikationen (Durchbruch in die Orbitae, Blutungen und Infektionen) sowie 1 %<br />
schwere Komplikationen (Durchbruch der Schädelbasis, Läsion des Nervus opticus<br />
mit Visusverlust, schwere Blutungen). Stammberger [108] beschreibt bei einem sehr<br />
großen Patientenkollektiv mit 6000 Eingriffen als schwerste Komplikation eine beid-<br />
seitige iatrogene Resektion beider Nervi optici. In den Fällen mit schweren Komplika-<br />
tionen war die endoskopische Sicht stark eingeschränkt. Dadurch wurde die Orientie-<br />
rung des Operateurs wesentlich beeinträchtigt; eine Situation, die bei Einsatz eines<br />
Navigationssystems nicht auftritt.<br />
4.6.2.4 Fremdkörperlokalisation und Entfernung<br />
Während die navigationsgestützte Entfernung von Fremdkörpern aus dem Knochen zu<br />
den etablierten Anwendungen gehört, ist die Exstirpation in den Weichteilen noch mit<br />
Problemen behaftet. Große Schwierigkeiten bereitet hier bisher die Modellierung von<br />
elastischen Gewebeanteilen [50]. Auch in näherer Zukunft wird es aufgrund der Kom-<br />
plexität der Weichgewebsstrukturen keine annähernd korrekte Abbildung geben. Wird<br />
mit dem Navigationssystem ein in den Weichteilen befindlicher Fremdkörper gesucht,<br />
kann dieser zwar primär geortet werden, allerdings wird oftmals durch das operative<br />
Vorgehen und die entsprechende Weichgewebsresilienz der Fremdköper verdrängt.<br />
Hoffnungsvolle Lösungsansätze ergeben sich hier in der Fluro-Navigation, eine intra-<br />
operative Kopplung von Röntgendurchleuchtungseinheit und Navigationssystem. Da-<br />
mit wird es erstmals möglich, am real-time Bild navigationsgestützt zu operieren.<br />
86
4.6.2.5 Applikationen in der onkologischen Chirurgie<br />
Die Anwendung in der Tumorchirurgie kann als ein sicheres Einsatzgebiet betrachtet<br />
werden. Hier liegen umfangreiche Erfahrungen aus der Neurochirurgie vor. Die etab-<br />
lierten Prozeduren können weitgehend übernommen werden. Der Chirurg gewinnt<br />
zusätzliche Sicherheit über die richtige Position seines Instrumentes und die korrekte<br />
Führung entsprechend der Planung. Die Präparationssicherheit in anatomisch schwie-<br />
rigen Bereichen, z.B. in der Nähe von großen Gefäßen oder Nerven, wird erhöht. Die<br />
Resektionsgrenzen können bei Tumoren dreidimensional festgelegt werden. Nach prä-<br />
operativer Strahlentherapie können Tumore in ihren alten Grenzen entfernt werden.<br />
Nach Segmentation und Vergleich der Datensätze (vor und nach Strahlentherapie) ist<br />
die Reduktion der Tumorvolumina zu berechnen. Probleme in der intraoperativen<br />
Anwendung ergeben sich durch die bereits beschriebenen Weichteilveränderungen<br />
während der Operation. Die Position der Gewebestrukturen ist dann nicht mehr mit<br />
den in der Vorplanung verwendeten Bilddaten identisch. Die exakte navigierte Opera-<br />
tion im Weichgewebe verlangt deshalb zusätzlich die intraoperative Bildgebung die<br />
zur Zeit nur in der offenen MRT realisierbar ist [136]. Durch die in der Arbeit vorge-<br />
stellte kiefergetragene Referenzierungsschiene können auch in der Tumorchirurgie die<br />
Einsatzmöglichkeiten erweitert werden. Vor allem beim Einsatz von präoperativer<br />
Chemo- oder Radiotherapie bietet die im Zusammenhang mit der Implantatinsertion<br />
entwickelte Referenzierungsschiene große Vorteile. So besteht aufgrund der Wieder-<br />
verwendbarkeit die Möglichkeit, am ursprünglichen Datensatz (vor Radio- oder Che-<br />
motherapie) in den prätherapeutischen Tumorgrenzen zu operieren.<br />
87
5 ZUSAMMENFASSUNG<br />
Die computergestützte intraoperative 3D-Navigation hat die Mund-, Kiefer- und Ge-<br />
sichtschirurgie und andere chirurgische Fachdisziplinen um ein wertvolles diagnosti-<br />
sches und chirurgisches Hilfsmittel bereichert.<br />
Ziel der vorgelegten Untersuchungen war es, am Beispiel der dentalen Implantologie<br />
Genauigkeit und Einsatzmöglichkeiten der Navigationstechnologie in der Mund-, Kie-<br />
fer- und Gesichtschirurgie zu evaluieren. Die mittlere Genauigkeit des gesamten Na-<br />
vigationsprozesses betrug 0,68 mit einer Standartabweichung von +/- 0,63 mm.<br />
Die Technologie ist damit prinzipiell geeignet, die Genauigkeitsanforderungen der<br />
dentalen Implantologie zu erfüllen. Die hauptsächlichen Defizite sind in der Anpas-<br />
sung der Programmsoftware und in der Adaptation des Instrumentariums zu sehen.<br />
Bei der Planung des Versuchsablaufs der Phantomstudie wurde Wert auf größtmögli-<br />
chen Realitätsbezug gelegt. Es kamen der klinischen Anwendung entsprechende ana-<br />
tomische Kunststoffmodelle und Originalinstrumentarium zum Einsatz. Die Methodik<br />
und die Abläufe entsprachen weitgehend dem realen klinischen Einsatz.<br />
Ausgehend von der experimentellen Studie wurde ein klinisch praktikabler Algorith-<br />
mus für die navigationsgeführte Implantatinsertion entwickelt und aufgezeigt. Die<br />
Einbeziehung der vorgestellten nichtinvasiven dentalgestützten Registrierung und Re-<br />
ferenzierung über markierte Miniplastschienen garantiert eine freie Beweglichkeit des<br />
Patientenkopfes. Die individuell angefertigte Miniplastschiene ist dabei wiederver-<br />
wendbar und kann jederzeit für erneute Untersuchungen oder Navigationseinsätze ein-<br />
gegliedert werden. Aufgrund der exakten Passung der schraubenmarkierten Schienen<br />
ist die erreichbare Genauigkeit vergleichbar mit dem Einsatz invasiver Schraubenmar-<br />
kierungen. Insbesondere das Verfahren der Schienenreferenzierung und dentalgestütz-<br />
ten Registrierung ermöglicht es, den vorgestellten klinischen Ablauf auch für andere<br />
Indikationsbereiche zu übernehmen.<br />
Mit dem Einsatz von Operationsnavigationssystemen werden in unserem Fachgebiet<br />
neue Wege aufgezeigt. Neben Skepsis und auch ablehnenden Stimmen wird in den<br />
letzten Jahren die Zahl der Befürworter, die Anzahl der Forschungsprojekte und die<br />
Vielfalt innovativer Ideen immer größer.<br />
Die gegenwärtige Phase kann mit der der Etablierung der Computertomographie oder<br />
88
später der Magnetresonanztomographie verglichen werden. Ähnlich wie damals er-<br />
folgt die Anwendung an einzelnen Zentren, breitet sich von dort allmählich aus, bis<br />
hin zur generellen Akzeptanz und Integration in die Behandlungskonzepte [44].<br />
Durch ein kritisches Feedback der Anwender an die Industrie, insbesondere zu Fragen<br />
der Preisgestaltung, zur technischen Zusammenarbeit und Unterstützung über die übli-<br />
chen Wartungsverträge hinaus, wird sicher gestellt, das ein teuer gekauftes System<br />
auch in der Zukunft technisch weiterentwickelt wird.<br />
Nur der Dialog zwischen Anwendern und Entwicklern kann die Weiterentwicklung<br />
der Systeme so steuern, dass die Navigationssysteme einfacher zu bedienen und siche-<br />
rer werden. Noch ist derzeit keine vernünftige Relation zwischen Sicherheit der klini-<br />
schen Bedienbarkeit, dem Leistungsvermögen und vernünftigen Anschaffungs- und<br />
Folgekosten erreicht [9, 10].<br />
Möglicherweise werden in einigen Jahren nicht nur Patienten nach dem Einsatz eines<br />
Navigationssystems fragen, sondern auch Fachgesellschaften, Gutachter und Juristen<br />
den Einsatz für bestimmte Indikationsbereiche fordern.<br />
Die experimentellen Studie und die klinische Anwendungen bestärken uns in der Auf-<br />
fassung, dass es in der nahen Zukunft auch für das Indikationsgebiet der dentalen<br />
Implantatologie optimierte und finanziell erschwingliche Navigationssysteme geben<br />
wird.<br />
89
6 ANHANG<br />
TABELLEN<br />
Tab. 2: Messwerte der Genauigkeitsanalyse nach <strong>Image</strong>fusion im Vergleich von Planung und Insertionsergebnis.<br />
Spalte 1:Unterkiefer-/Implantatnummer, Spalte 2: RMS = gemittelte Genauigkeit der<br />
Referenzierung – wird vom System berechnet, Spalte 3: gemittelte Genauigkeit der <strong>Image</strong>fusion – wird<br />
ebenfalls vom System nach Fusion als mittlere Genauigkeit angegeben, Spalte 4: Abweichung in vestibulär/lingualer<br />
Richtung in der cranialsten Schicht = Implantatinsertionspunkt, Spalte 5: Abweichung in<br />
mesial/distaler Richtung ebenfalls am Implantatinsertionspunkt an, Spalten 6 und 7: Abweichungen in<br />
beide Richtungen am Apex des Implantates.<br />
Implantat RMS<br />
in<br />
mm<br />
Fusionsge-<br />
nauigkeit<br />
in mm<br />
Unterkiefer 21 1,21 0,7<br />
Distanz v/l<br />
cranial<br />
in mm<br />
90<br />
Distanz m/d<br />
cranial<br />
in mm<br />
Distanz v/l<br />
caudal<br />
in mm<br />
Distanz m/d<br />
caudal<br />
in mm<br />
1 1,2 0 1,3 0,5<br />
2 1,4 0,2 1,6 0,2<br />
3 1,7 0,3 1,9 0,1<br />
4 0 0 0,2 0<br />
5 0 0,7 0 0,7<br />
Unterkiefer 22 0,6 0,7<br />
1 0 1,8 0,7 3,1<br />
2 1,4 1,3 0,9 2,8<br />
3 0 0 0 0,2<br />
4 0,2 0 0,2 0<br />
5 0,2 0 0 0,2<br />
Unterkiefer 23 0,78 0,4<br />
1 0,6 1,6 1,2 2,6<br />
2 0 1,6 0 2,3<br />
3 0,6 0 1,5 0,8<br />
4 0,5 0,2 0,8 0,8<br />
5 0,5 0,4 0,9 0,7<br />
Unterkiefer 24 0,59 0,3<br />
1 0,3 1,4 0 1,6<br />
2 1,1 0,7 1,2 1,1<br />
3 1,4 0,3 1,6 0,3<br />
4 1,5 0,5 1,9 0<br />
5 1,8 0,5 2,2 0,4
Implantat RMS<br />
in<br />
mm<br />
Fusionsge-<br />
nauigkeit<br />
in mm<br />
Unterkiefer 25 0,84 0,4<br />
Distanz v/l<br />
cranial<br />
in mm<br />
91<br />
Distanz m/d<br />
cranial<br />
in mm<br />
Distanz v/l<br />
caudal<br />
in mm<br />
Distanz m/d<br />
caudal<br />
in mm<br />
1 0,5 0,6 0,2 1<br />
2 0 0,6 0 0,5<br />
3 0,5 0 0 0<br />
4 0,6 1,3 0,2 1,3<br />
5 0,9 0 0,8 0,2<br />
Unterkiefer 26 0,41 0,4<br />
1 0,4 1,7 0,4 2,3<br />
2 0 1,5 0 2,9<br />
3 0,7 0,3 0,6 0<br />
4 0,4 0,8 0,3 0,7<br />
5 1,1 0 1,1 0<br />
Unterkiefer 27 0,64 0,5<br />
1 0 1,3 0 1,4<br />
2 0,1 1,3 0 1,9<br />
3 1,1 0 1,3 0<br />
4 1,3 0,2 1,7 0,2<br />
5 2 0 2 0<br />
Unterkiefer 28 1,09 0,5<br />
1 0 1,8 0 2,5<br />
2 0,2 1,5 0,2 2,7<br />
3 0,2 0,4 0 0,6<br />
4 0,1 1 0 1,1<br />
5 0,6 0,2 0,6 0,2<br />
Unterkiefer 29 0,95 0,4<br />
1 0,3 1,4 0 1,4<br />
2 0,5 1 0,3 1,3<br />
3 0 0,9 0 1,1<br />
4 0 1,5 0 1,8<br />
5 0,7 0,8 1,5 0,9<br />
Unterkiefer 30 0,69 0,6<br />
1 0,3 1,2 0,5 1,5<br />
2 0,2 1,1 0,5 1,6<br />
3 0,6 0,3 1 0<br />
4 1,2 0 1,1 0
Implantat RMS<br />
in<br />
mm<br />
Fusionsge-<br />
nauigkeit<br />
in mm<br />
Distanz v/l<br />
cranial<br />
in mm<br />
92<br />
Distanz m/d<br />
cranial<br />
in mm<br />
Distanz v/l<br />
caudal<br />
in mm<br />
Distanz m/d<br />
caudal<br />
in mm<br />
5 1,6 0 1,4 1,1<br />
Unterkiefer 31 0,68 0,7<br />
1 0,3 0,6 0,7 0<br />
2 0,4 0 0,6 0,2<br />
3 0,8 0 0,7 0<br />
4 0 1,4 0,2 1<br />
5 1,5 0,6 1,9 0<br />
Unterkiefer 32 0,79 0,5<br />
1 0,4 1,4 0,6 1,8<br />
2 0,8 1,2 0,8 1,3<br />
3 0,5 0,4 1,2 0,7<br />
4 0,4 0 1,1 0<br />
5 1,3 0 1,8 1<br />
Unterkiefer 33 0,76 0,4<br />
1 0,4 0 0,5 0<br />
2 0,7 0,2 1,4 0,4<br />
3 2,3 0,3 2,3 0<br />
4 1,5 0,6 1,7 0,4<br />
5 2,4 0 2,7 0<br />
Unterkiefer 34 0,59 0,5<br />
1 1,3 0,8 1,5 0,6<br />
2 0,7 0 1 0,2<br />
3 2,3 0 2,9 0,2<br />
4 1,8 0,6 1,8 0,1<br />
5 3,1 0 3,8 0<br />
Unterkiefer 35 1,07 0,5<br />
1 0 0,8 0 0,8<br />
2 0 0,1 0 0,2<br />
3 1,1 0 1,5 0,1<br />
4 0,4 1,2 1,4 0,8<br />
5 2,1 0,6 2,2 0,4<br />
Unterkiefer 36 0,97 0,9<br />
1 0,5 0,6 0,2 1,1<br />
2 0,5 1 0 1,6<br />
3 0 1,1 0,9 0,5
Implantat RMS<br />
in<br />
mm<br />
Fusionsge-<br />
nauigkeit<br />
in mm<br />
Distanz v/l<br />
cranial<br />
in mm<br />
93<br />
Distanz m/d<br />
cranial<br />
in mm<br />
Distanz v/l<br />
caudal<br />
in mm<br />
Distanz m/d<br />
caudal<br />
in mm<br />
4 0,3 0,7 1 1<br />
5 0,5 1,3 1,1 1,7<br />
Unterkiefer 37 1,02 0,7<br />
1 0 0,5 0 0,4<br />
2 0 0,3 0 0,9<br />
3 1,1 0 1,7 0<br />
4 0,3 1,6 1,5 1,9<br />
5 0,9 0,9 1,6 0,7<br />
Unterkiefer 38 1,09 0,3<br />
1 0,4 0 0 0<br />
2 0,4 0,3 0 0<br />
3 1,7 0 1,8 0<br />
4 1 0,4 1,5 0<br />
5 1,9 0,3 2,3 0,3<br />
Unterkiefer 39 0,69 0,5<br />
1 0 0,6 0 0,6<br />
2 0,4 0 0,4 0<br />
3 1,5 0 2,1 0<br />
4 1 0 1,5 0<br />
5 0,7 0 1,2 0<br />
Unterkiefer 40 0,68 0,4<br />
Durchschnittswerte<br />
1 1,2 0,2 1,5 0,2<br />
2 0,6 0,4 0 0,2<br />
3 1,2 0,8 1,3 0,9<br />
4 0,5 2,6 0,9 2,1<br />
5 1,2 0 1,3 0<br />
0,81 0,52 0,75 0,59 0,92 0,73<br />
Minimalwerte 0,41 0,3 0 0 0 0<br />
Maximalwerte 1,21 0,9 3,1 2,6 3,8 3,1
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Abkürzungen<br />
CAS Computer Assisted <strong>Surgery</strong><br />
CD-ROM Compact Disc Read-Only Memory,<br />
Kompaktspeicherplatte mit Nur-Lese-Speicher<br />
CT Computertomographie<br />
DRF Dynamic reference frame<br />
FOV Field of View<br />
GPS Global Positioning System<br />
HE Hounsfield-Einheiten<br />
IGS <strong>Image</strong> <strong>Guided</strong> <strong>Surgery</strong><br />
IMZ Intramobiles Zylinderimplantat<br />
LED engl.: light emitting diode = Licht emittierende Diode<br />
MINAS Minimal invasives intraorales Navigationssystem<br />
MKM Mehrkoordinatenmanipulator<br />
MO-Drive Magnetoptisches Wechselplattenlaufwerk<br />
MRT Magnetresonanztomographie<br />
OPG Orthopantomogramm<br />
RI Rekontruktionsinkrement<br />
RMS Root Mean Square = Wurzel der mittleren Quadrate<br />
SC Schichtkollimation<br />
SMN Surgical Microscope Navigator<br />
SPOCS Surgical Planning and Orientation Computer System<br />
STN Surgical Tool Navigator<br />
TF Tischvorschub<br />
US Ultraschall<br />
SSN Segmentnavigationsgerät<br />
ZipDrive Wechselplattenlaufwerk mit 100 MB Kapazität<br />
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7 EIGENSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG<br />
Hiermit erkläre ich, dass ich die Dissertation selbständig angefertigt habe und keine<br />
anderen als die angegebenen Hilfsmittel und Quellen benutzt habe.<br />
Diese Dissertation wurde an der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU<br />
<strong>Dresden</strong> unter Betreuung von Herrn Prof. Dr. med. habil. Dr. med. dent. U. Eckelt,<br />
Direktor der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie am <strong>Universität</strong>sklinikum<br />
der <strong>Technische</strong>n <strong>Universität</strong> <strong>Dresden</strong>, angefertigt.<br />
Die Dissertation wurde in dieser oder in einer ähnlichen Form an keiner anderen Stel-<br />
le zum Zwecke eines Promotions- oder eines anderen Prüfungsverfahrens eingereicht.<br />
Vorangegangene erfolglose Promotionsversuche hat es nicht gegeben.<br />
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8 DANKSAGUNG<br />
Mein Dank gilt meinem Lehrer Herrn Prof. Dr. med. habil. Dr. med. dent. U.<br />
Eckelt, Direktor der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie<br />
am <strong>Universität</strong>sklinikum <strong>Dresden</strong>, für die freundliche Überlassung des Themas, für<br />
die Unterstützung und die Impulse als Mentor bei der Erarbeitung dieser Arbeit. Seine<br />
unermüdliche Motivation in den schwierigen Phasen trug wesentlich zum Gelingen des<br />
Projektes bei.<br />
Mein Dank gilt ebenfalls dem Institut für Radiologische Diagnostik (Direktor: Prof.<br />
Dr. med. habil. Laniado), hier insbesondere Herrn Dr. rer. nat. Hietschold für die<br />
Unterstützung bei der Datenakquisition und die Beratung auf physikalischen und ra-<br />
diologischen Fachgebiet.<br />
Danken möchte ich Herrn Dipl.-Ing. U. Rengert und Herrn Dipl.-Ing. Rudolf stellver-<br />
tretend für alle Mitarbeiter der Firma Carl Zeiss Oberkochen, die nicht nur das Navi-<br />
gationssystem STN bereitstellten, sondern jederzeit mit Rat und Tat beistanden.<br />
Dank sagen möchte ich auch der Fotografin Frau Bellmann für die qualitativ immer<br />
exzellente und kreative Unterstützung bei der Fotodokumentation.<br />
Und schließlich gilt mein Dank Herrn Prof. Dr. Koch vom Institut für Biomedizin,<br />
der mir bei der statistischen Auswertung der Untersuchungen unterstützte.<br />
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9 THESEN<br />
1. Die aus der stereotaktischen Neurochirurgie und Strahlentherapie hervorgegangene<br />
computergestützte intraoperative Navigation hat auch die Mund-, Kiefer- und Ge-<br />
sichtschirurgie um ein wertvolles diagnostisches und chirurgisches Hilfsmittel be-<br />
reichert.<br />
2. Für den klinischen Einsatz eignen sich derzeit berührungslose Navigationssysteme,<br />
die auf optischer Grundlage basieren, am besten.<br />
3. Entscheidend für die Einsatzmöglichkeiten des Navigationssystems sin neben der<br />
klinischen Praktikabilität vor allem die erreichbare Genauigkeit und Sicherheit des<br />
gesamten Prozesses.<br />
4. Da im wesentlichen keine Kontrolle der Genauigkeit während der navigationsge-<br />
stützten Operation möglich ist, wurde beispielhaft eine realitätsnahe Phantomstudie<br />
gewählt. Diese Untersuchung lässt einen unmittelbaren Vergleich von Planung und<br />
Operationsergebnis zu.<br />
5. Die Abweichung des Operationsergebnisses von der vorgegebenen Planungspositi-<br />
on wurde an 100 Phantomimplantaten mit 0,68 mm bei einer Standardabweichung<br />
von +/- 0,63 mm gemessen. Damit wurde der gesamte Fehler, beginnend von der<br />
Datenerfassung im Computertomogramm bis hin zu navigationsgestützten Insertion<br />
der Phantomimplantate, erfasst.<br />
6. Es besteht keine unmittelbare Korrelation zwischen der vom Gerät selbst gemesse-<br />
nen Registriergenauigkeit und der Präzision des folgenden Navigationsprozesses.<br />
7. Die vom System angezeigte Registriergenauigkeit ist damit kein verlässlicher Pa-<br />
rameter zur intraoperativen Kontrolle des Navigationsprozesses.<br />
8. Eine invasive Fixierung des Patientenkopfes während des Navigationsprozesses ist<br />
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für die navigationsgestützte Implantatinsertion und andere Einsatzgebiete in der<br />
Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie nicht akzeptabel.<br />
9. Der im Rahmen der experimentellen Arbeit gefundene Algorithmus der navigati-<br />
onsgestützten Implantatinsertion auf Grundlage der dentalen Referenzierung und<br />
Registrierung ist klinisch durchführbar und garantiert eine freie Beweglichkeit des<br />
Kopfes während des gesamten Navigationsprozesses.<br />
10. Die Genauigkeit des Navigationsprozesses wird im wesentlichen von 2 Fehler-<br />
gruppen beeinträchtigt. Zu der ersten Gruppe gehören die Fehler der Datenakqui-<br />
sition und Planung, in der zweiten Gruppe sind die Fehler während des Navigati-<br />
onsprozesses zusammengefasst. Während in der ersten Gruppe die Datenerfassung<br />
im Computertomogramm als genauigkeitslimitierender Faktor gesehen werden<br />
muss, ergeben sich bei der navigierten Implantatinsertion die meisten Probleme<br />
und Abweichungen bei der freihändigen Führung und der bildschirmgerechten Po-<br />
sitionierung des Implantatbohrers.<br />
11. Das in der Untersuchung verwendete Navigationssystem ist bisher weder an die<br />
Indikationsbereiche in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie angepasst noch<br />
auf den speziellen Einsatz bei der navigationsgestützten Implantatinsertion vorbe-<br />
reitet. Eine anwendungsbezogene Adaptation der Hard- und Software des Naviga-<br />
tionssystems lässt eine weitere Optimierung der Gerätepräzision erwarten.<br />
12. Eine Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf andere Indikationsbereiche ist<br />
sowohl vom Algorithmus als auch von den Ergebnissen der Genauigkeitsanalyse<br />
her sinnvoll.<br />
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