ArchivDÄ-TitelSupplement: PRAXiSPraxis Computer 2/2002Computersimulationsprogramme: Hilfe bei der Operationsplanung

Supplement: Praxis Computer

Computersimulationsprogramme: Hilfe bei der Operationsplanung

Dtsch Arztebl 2002; 99(18): [12]

Görtz, Sabine

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Abbildung 1: Visualisierung einer Mittelgesichtsdistraktion bei einer Verlagerungsstrecke von 18 mm. Die Vektoren ermöglichen die Zuordnung von anatomischen Strukturen und Verlagerungsbetrag und -strecke (Quelle: Kruggel/Wollny/Hierl).
Abbildung 1: Visualisierung einer Mittelgesichtsdistraktion bei einer Verlagerungsstrecke von 18 mm. Die Vektoren ermöglichen die Zuordnung von anatomischen Strukturen und Verlagerungsbetrag und -strecke (Quelle: Kruggel/Wollny/Hierl).
Im Rahmen der plastischen Chirurgie lassen sich Computersimulationsprogramme dazu einsetzen, das Verhalten von normalem Gewebe unter Einberechnung der von außen auf den Körper einwirkenden Kräfte vorherzusagen.
Verkürzte Extremitätenknochen, die durch angeborene Fehlbildungen, Verletzungen oder Traumen entstanden sind, werden schon seit mehreren Jahrzehnten mithilfe der Distraktionsosteogenese verlängert. Seit drei Jahren wird diese Methode auch im Bereich des Gesichtsschädels an der Leipziger Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgischen Universitätsklinik durchgeführt.
Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet der Wiederherstellungschirurgie sind Computersimulationsprogramme, die einen Gewebeshift in entsprechender Genauigkeit voraussagen können. Diese modulare Softwareumgebung wird im Rahmen des EU-Projekts „SimBio“ am Max-Planck-Institut für neuropsychologische Forschung Leipzig (www.cns.mpg.de/index.xml) unter der Leitung von Dr. med. Fritjof Kruggel entwickelt. An der Datenerhebung und der Entwicklung der Software ist die interdisziplinäre Arbeitsgruppe Bildgestützte Chirurgische Navigation beteiligt. Derzeit wird die Software für neurologische (Zeitreihenanalyse organischer Hirnveränderungen), neurochirurgische (intraoperativer Brainshift), onkologische (Tumorprogression) und mund-kiefer-gesichtschirurgische (Distraktionsosteogenese) Fragestellungen eingesetzt.
Im Mittelgesicht erfolgt die Distraktionsosteogenese über die Osteotomie und die anschließende schrittweise Distraktion mithilfe eines am Schädel befestigten Gerätes („Halobogen“ mit Distraktor). Die Verlängerung der verkürzten Knochen beruht auf den körpereigenen biologischen Regenerationskräften, die bei einem Knochenbruch als erste Verbindung einen Kallus ausbilden, der zunächst Weichteilgewebe enthält und verknöchert, wenn der Zug des Distraktors nachlässt.
Die Vorteile gegenüber klassischen Operationsverfahren, die auf der Verlagerung in einem Stück beruhen:
- Bei dieser Methode besteht ein geringeres Operationsrisiko,
- es bleibt kein vernarbtes OP-Gebiet zurück, da die Weichteile mitgedehnt werden und sich der knöchernen Unterlage anpassen,
- das optimale Ergebnis ist schon nach knapp zwei Monaten erreicht,
- es lassen sich große Strecken von bis zu 30 mm überwinden, wohingegen bei einer Operation nur eine Verlagerung von maximal 10 mm möglich ist.
Computerassistierte Distraktionsosteogenese
Bisher konnten die Knochenverlagerungen nicht analysiert werden. Dies ist für ein grundlegendes Verständnis der Biomechanik jedoch unabdingbar. Mithilfe eines auf einem viskoelastischen Modell basierenden Algorithmus ist dies jetzt möglich. Der Therapieverlauf wird im CT dokumentiert, und die Datensätze werden mit einer Bildanalyseprozedur verarbeitet. Ein wesentlicher Bearbeitungsschritt ist die nichtlineare Registrierung: Dabei werden prä- und postoperative CT-Datensätze Punkt für Punkt verglichen, um daraus ein dreidimensionales Vektorfeld berechnen zu können, das die therapiebedingten Gewebsverschiebungen beschreibt. Die Verschiebungsrichtung wird als Vektor und ihr Ausmaß als farbkodierte Oberflächen dargestellt (Abbildung 1). So können biomechanische Widerstands- und Rotationszentren bestimmt werden. Dies bedeutet für künftige Operationen eine deutliche Planungsverbesserung.
Ein weiterer Baustein des Softwarepaketes ist die Vorwärtssimulation, mit der das Endergebnis einer Operation im Voraus bestimmt werden soll. Hierbei ist der erste Schritt des Modells, das auf der Finiten-Elemente-Methode basiert, erfolgreich beendet worden. Abbildung 2 zeigt die voraussichtliche Formveränderung eines menschlichen Schädels unter einem Halobogen.
Um die Simulations- und Planungsprogramme noch weiter zu verbessern, werden gegenwärtig Materialdaten der verschiedenen Knochenstrukturen gewonnen, weil diese eine stärkere Individualisierung der Prognose ermöglichen. Vektoränderungen sind im Nachhinein nicht mehr möglich – somit ist eine exakte präoperative Planung und Umsetzung im OP-Saal nötig, um einen störungsfreien Ablauf der Verlagerung und damit kurze stationäre Aufenthalte und eine minimale Therapiedauer zu gewährleisten.
Abbildung 2: Finite-Elemente-Modell (Vorwärtsmodell) der Schädelverformung unter einem Halobogen. Die Farbskala gibt die Verformung des knöchernen Schädels wieder (Quelle: Kruggel/Hartmann/ Hierl).
Abbildung 2: Finite-Elemente-Modell (Vorwärtsmodell) der Schädelverformung unter einem Halobogen. Die Farbskala gibt die Verformung des knöchernen Schädels wieder (Quelle: Kruggel/Hartmann/ Hierl).
Eine Behandlung dauert im Durchschnitt vier Jahre. Ein bis zwei Monate sind für die Befunderhebung erforderlich. Diese umfasst Röntgenaufnahmen, Fotos, Videoaufzeichnungen, Schädelmodelle, Sprachbefunde und die Aufklärung des Patienten. Danach beginnt die dreimonatige Behandlung mit der eigentlichen Operation – dem Anbringen des „Halobogens“ mit Distraktor – und der aktiven Therapie, bei der die Befestigungspins regelmäßig nachgezogen werden. Der Kallus verknöchert nach etwa drei Wochen, nachdem der Zug des Distraktors nachgelassen hat. Dann kann das Instrumentarium abgenommen werden. Darauf folgt die ein- bis zweijährige Nachbehandlung, die weitere Operationen, wie zum Beispiel Nasenkorrekturen und zahnärztliche Versorgung, umfasst. Die Kosten der gesamten Behandlung belaufen sich auf 20 000 bis 25 000 Euro.
Mithilfe solcher Softwareapplikationen, auf deren Grundlage Simulationsrechnungen an einem biomechanischen Kopfmodell möglich sind, lassen sich präoperative Planungskosten minimieren. In der kraniofazialen Chirurgie werden zum Beispiel bei komplexen Fehlbildungen häufig Biomodelle (beispielsweise Stereolithografiemodelle) eingesetzt, anhand derer der Arzt die Operation am 1 : 1-Modell planen kann. Diese individuellen Modelle, die für eine optimale präoperative Planung notwendig sind, kosten jedoch bis zu 5 000 Euro. Weil diese Kosten von den Krankenkassen nicht übernommen werden, bedeutet dies eine Budgetbelastung für die Kliniken. Mithilfe einer geeigneten Softwareumgebung ließe sich die Indikation derartiger Biomodelle künftig enger stellen.
Künftige Entwicklungen
Über die Operationsplanung hinaus zeigen sich auch viel versprechende Einsatzgebiete in der Traumatologie zum Verständnis der Frakturentstehung und der Optimierung von Osteosynthesesystemen. Ein weiterer Schritt ist die computerassistierte Planung von Osteotomielinien im Sinne einer minimalinvasiven, gegebenfalls navigierten endoskopgestützten Operation.
Mit dem Abschluss des SimBio-Projektes 2003 werden die bis dahin entwickelten Softwareapplikationen dann auch für andere Anwendungen zur Verfügung stehen – dies ist zurzeit noch nicht möglich. Letztlich werden die Computersimulationsprogramme so entwickelt, dass sie von jedem genutzt werden können, indem die CT- beziehungsweise MRT-Daten von der Software in Schnittbilder umgewandelt und weiterverarbeitet werden. Sabine Görtz

Kontaktadresse: Sabine Görtz, Inselstraße 13, 04103 Leipzig, E-Mail: sabine_goertz@
web.de
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Abbildung 1: Visualisierung einer Mittelgesichtsdistraktion bei einer Verlagerungsstrecke von 18 mm. Die Vektoren ermöglichen die Zuordnung von anatomischen Strukturen und Verlagerungsbetrag und -strecke (Quelle: Kruggel/Wollny/Hierl).
Abbildung 1: Visualisierung einer Mittelgesichtsdistraktion bei einer Verlagerungsstrecke von 18 mm. Die Vektoren ermöglichen die Zuordnung von anatomischen Strukturen und Verlagerungsbetrag und -strecke (Quelle: Kruggel/Wollny/Hierl).
Abbildung 1
Abbildung 1: Visualisierung einer Mittelgesichtsdistraktion bei einer Verlagerungsstrecke von 18 mm. Die Vektoren ermöglichen die Zuordnung von anatomischen Strukturen und Verlagerungsbetrag und -strecke (Quelle: Kruggel/Wollny/Hierl).
Abbildung 2: Finite-Elemente-Modell (Vorwärtsmodell) der Schädelverformung unter einem Halobogen. Die Farbskala gibt die Verformung des knöchernen Schädels wieder (Quelle: Kruggel/Hartmann/ Hierl).
Abbildung 2: Finite-Elemente-Modell (Vorwärtsmodell) der Schädelverformung unter einem Halobogen. Die Farbskala gibt die Verformung des knöchernen Schädels wieder (Quelle: Kruggel/Hartmann/ Hierl).
Abbildung 2
Abbildung 2: Finite-Elemente-Modell (Vorwärtsmodell) der Schädelverformung unter einem Halobogen. Die Farbskala gibt die Verformung des knöchernen Schädels wieder (Quelle: Kruggel/Hartmann/ Hierl).

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