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Bildgebungsbasierte computergestützte Verfahren zur Operationsplanung und -durchführung haben sich in den letzten Jahren in vielen unterschiedlichen medizinischen Fachbereichen etabliert [10]. Dies betrifft in besonderer Weise chirurgische Fächer wie die Orthopädie und Unfallchirurgie, die Neurochirurgie und Herzchirurgie sowie die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (MKG). Üblicherweise werden die Begriffe „Computergestützte Chirurgie” bzw. „Computerassisted Surgery (CAS)” dabei als Überbegriff für computergestützte Verfahren verwendet.

Folgende Teilschritte sind charakteristisch für die computergestützte Chirurgie:

  1. Virtuelle Planungsphase Computer-aided Design (CAD)
  2. Umsetzung der virtuellen Planung mittels Schablonen und patientenspezifischer Implantate Computer-aided Manufacturing (CAM)
  3. Durchführung der Operation, ggf. mit intraoperativer Navigation und/oder Bildgebung
  4. Bewertung des Operationserfolges, ggf. weitere Maßnahmen.

Virtuelle Planungsphase, Computer-aided Design (CAD)

Dreidimensionale Bilddaten dienen als Grundlage aller computergestützten chirurgischen Maßnahmen. Im klinischen Alltag der MKG-Chirurgie stehen für die Operationsplanung insbesondere die knöchernen Verhältnisse des Gesichtsschädels im Vordergrund, welche mittels hochauflösender Computertomographie (CT) erfasst werden. Anschließend können die CT-Informationen als DICOM-Datensätze in eine geeignete Software zur virtuellen Operationsplanung, wie iPlan CMF® (Fa. Brainlab, Feldkirchen, Deutschland) oder Mimics ® (Fa. Materialise, Leuven, Belgien), importiert werden. Nach der Segmentierung relevanter kraniofazialer Strukturen entsteht ein virtuelles 3-D-Modell. Anschließend werden einzelne OP-Schritte wie Resektionen, Osteotomien und Segmentverlagerungen bzw. -repositionen ausgeführt. Dabei erfolgt die virtuelle Formgebung gewünschter Gesichtsschädel- und Schädelstrukturen, was dem Begriff des Computer-Aided Design, CAD, entspricht. Die resultierenden dreidimensionalen Daten werden via STL-Schnittstelle für die für die anschließende Herstellung durch Rapid-Prototyping-Verfahren prozessiert.

Umsetzung der virtuellen Planung

Die exakte Umsetzung der virtuellen Planung in die OP-Situation ist ein limitierender Faktor hinsichtlich der Präzision computer-assistierter Verfahren. Hierfür stehen eine Reihe von Hilfsmitteln zur Verfügung die durch Computer-aided Manufacturing, CAM, (physikalische Umsetzung der virtuellen Formgebung durch Rapid Prototyping) hergestellt werden.

Stereolithographiemodelle (STL-Modelle)

STL-Modelle sind Nachbildungen von Schädelanteilen oder virtuell designten Transplantaten und dienen zur dreidimensionalen Visualisierung anatomischer Verhältnisse, als Vorlage für das Anbiegen von Osteosyntheseplatten oder zur intraoperativen Plausibilitätskontrolle.

Osteotomie- und Positionierungs-Schablonen (sogenannte Cutting Guides)

Mithilfe von Osteotomieschablonen werden virtuell geplante Osteotomien exakt am OP-Situs reproduziert. Solche Schablonen können dazu dienen, knöcherne Resektionen im Kiefer- und Gesichtsbereich durchzuführen (sogenannte „Resection-Guides“),Osteotomien im Rahmen der orthognathe Chirurgie umzusetzen oder Knochentransplantate im Bereich der Fibula oder des Beckenkamms zu entnehmen und zu segmentieren (sogenannte „Segmentation-Guides“). Darüber hinaus etablieren sich mehr und mehr knochengetragene Positionierungsschablonen, welche der Verlagerung von Segmenten dienen. Alternativ werden nach wie vor okklusale Splinte, die CAD/CAM-gefertigt sind, zur Verlagerung von Kieferanteilen in der Dysgnathiechirurgie eingesetzt, wobei jüngst Hybride als Kombination mit knochengetragener Positionierungshilfe und okklusaler Auflagen beschrieben wurden. Auch zahnärztliche Implantate können mithilfe von CAD/CAM-produzierten Schablonen entsprechend der virtuell geplanten Position eingesetzt werden. Ebenso tragen zunehmend patientenspezifische Implantate zum Transfer von der computergestützten Planung in die OP-Situation bei. Der computergestützte Arbeitsablauf kann darüber hinaus durch die intraoperativen Bildgebung oder Verfahren der intraoperativen Navigation unterstützt werden.

Abb. 1: Patientenspezifische lasttragende Osteosyntheseplatte für den Unterkiefer (sogenannte Rekonstruktionsplatte).

Patientenspezifische Implantate, PSI

Patientenspezifische, d. h. individualisierte Implantate, sogenannte „Patient specific implants“ (PSI) nehmen einen immer größeren Stellenwert im Rahmen computergestützter chirurgischer Maßnahmen ein. Sie werden im Sinne von Osteosynthesematerial zur Fixierung von Knochensegmenten eingesetzt, eignen sich aber auch zum Ersatz von Schädel oder Gesichtsschädelstrukturen. Wie bereits erwähnt kommt ihnen bei der Umsetzung virtuell geplanter Operationen eine wichtige Rolle zu. Es ist wichtig zu betonen, dass die individuelle Formgebung mit individualisierten Implantaten gerade in einer morphologisch komplexen Region wie dem Kiefer-, Gesichts- und Schädelbereich wertvoll ist, da hier die Wiederherstellung anatomischer Strukturen entscheidend für funktionelle und ästhetische Aspekte ist. Patientenspezifische Implantate werden in unterschiedlichen Bereichen der MKG-Chirurgie eingesetzt. Darunter sind die primäre und sekundäre Wiederherstellungschirurgie, die Traumatologie sowie die orthognathe Chirurgie.Sollen patientenspezifische Implantate als Osteosynthesematerial dienen, werden sie in der Regel aus Titan gefertigt. Alloplastische Implantate zum Ersatz knöcherner Strukturen können dagegen sowohl aus Titan als auch aus Kunststoffen wie PEEK (Polyetheretherketon) gefertigt werden. Für die CAD/CAM-Fertigung von individualisierten Implantaten stehen grundsätzlich subtraktive und additive Rapid Prototyping Verfahren zur Verfügung. Während bei den subtraktiven Methoden Implantate beispielsweise aus einem Block des entsprechenden Werkstoffes gefräst (CNC-Fräsen) werden, erfolgt bei additiven Verfahren der schichtweise Aufbau des dreidimensionalen Konstruktes. Zu den additiven Verfahren zählt der 3-D-Druck (3-D-Printing), wie beispielsweise das selektive Lasersintern (Selective Lasersintering, SLS), die Fused Deposition Modeling – Technologie (FDM) oder die konventionelle Stereolithografie (STL). Die Herstellung von Titanimplantaten für den kraniomaxillofazialen Bereich erfolgt zumeist durch CNC-Fräsung oder SLS. Verlässliche Daten, ob sich die beiden Verfahren hinsichtlich biologischem und mechanischem Verhalten der Implantate unterscheiden stehen noch aus. Vorteil des SLS ist jedoch, dass Implantate in allen möglichen Formen und Dimensionen produzierbar sind.

PSI als Osteosynthesematerialien

Ein im klinischen Alltag etablierter und relevanter Anwendungsbereich von patientenspezifischen Implantaten sind Rekonstruktionsplatten, die der lasttragenden Überbrückung bei segmentalen und marginalen Unterkieferdefekten sowie beim hochgradig instabilen Unterkiefer dienen (Abb. 1) [2, 8, 12, 13, 7]. Sie sind evolutionär gesehen die Weiterentwicklung von herkömmlichen und am STL-Modell manuell vorgebogenen oder von Werk ab präformierten Platten. Defektsituationen, welche eine lasttragende Osteosynthese im Unterkiefer erforderlich machen, haben unterschiedliche Ursachen und sind meist Folge von Unterkieferkontinuitätsresektionen im Rahmen der chirurgischen Therapie von Mundhöhlenkarzinomen. Darüber hinaus entstehen relevante Defekte und defekt-ähnliche Situationen bei Trümmerfrakturen bzw. Frakturen im atrophen Unterkiefer oder auf der Basis von Osteomyelitiden und Osteonekrosen (Osteoradionekrose und Medikamenten assoziierte Osteonekrose der Kiefer, MRONJ).Prinzipiell gilt es bei Kontinuitätsdefekten zu unterscheiden, ob eine alleinige alloplastische Rekonstruktion des Unterkiefers durch eine Rekonstruktionsplatte oder eine zusätzliche Rekonstruktion mit einem autologen Knochentransplantat erfolgen soll. Eine alleinige alloplastische Defektüberbrückung sollte nicht als Dauerlösung angestrebt werden, da sowohl ein hohes Risiko für Plattenbrüche, Fistelbildung und Plattenexpositionen besteht und zudem keine implantatgetragene kaufunktionelle Rehabilitation durchgeführt werden kann. Vorteile patientenspezifischer Rekonstruktionsplatten für den Unterkiefer sind die Vermeidung von manuellen Biegeprozeduren, was zu mechanischen Vorteilen führt und zur intraoperativen Zeitersparnis beiträgt sowie eine bessere Passgenauigkeit als bei manuell gebogenen Rekonstruktionsplatten [12, 13]. Zudem können die Position und Angulation von Plattenlöcher individuell an die anatomischen Gegebenheiten (z. B. Verlauf N. alveolaris inferior) angepasst werden. Nicht zuletzt schließen CAD/CAM-gefertigte Rekonstruktionsplatten die Lücke im digitalen Arbeitsablauf, welche bei der Verwendung konventioneller Platten auftritt und die präzise Umsetzung der virtuellen Planung kompromittiert [2] (Abb. 2).

Abb. 2: Unterkieferrekonstruktion mit Hilfe eines mikrovaskulär reanastomosiertem Fibulatransplantates und einer patientenspezifischen Rekonstruktionsplatte. A) Geplanter Resektionsbereich (rot) und virtuelles Design der Resektionsschablonen (weiß) mit Bohrführungen für die Schrauben der PSI. B) Virtuell geplante Entnahmeschablone (weiß) für das Fibulatransplantat mit Bohrführungen für die Schrauben der PSI. C) Virtuelles Design (CAD) des zweiteiligen Fibulatransplantates mit patientenspezifischer Rekonstruktionsplatte. D) Entnahmeschablone für das Fibulatransplantat in situ. E) Knöcherne Segmente des Fibulatransplantates werden im Spendergebiet des Unterschenkels an die patientenspezifische Rekonstruktionsplatte fixiert, noch während das Transplantat am peronealen Gefäßenstiel angeschlossen ist. F) Patientenspezifische Rekonstruktionsplatte im Empfängergebiet des Unterkiefers in situ. G) Postoperative Computertomographie mit dreidimensionaler Rekonstruktion.

Neben der Verwendung als lasttragende Osteosynthesen im Unterkieferbereich werden PSI gelegentlich auch zur Osteosynthese im Kiefergelenkfortsatz- und Mittelgesichtsbereich eingesetzt.

PSI in der orthognathen Chirurgie

Hinsichtlich ihres Einsatzes in der orthognaten Chirurgie nehmen PSI eine Sonderstellung ein, da sie hier nicht nur zur Osteosynthese sondern simultan auch als Osteotomieschablone (Cutting-Guide) und Positionierungshilfe genutzt werden können. Dies betrifft aktuell insbesondere Umstellungsosteotomien des Oberkiefers [4, 9] (Abb. 3). Abbildung 3 illustriert die Verwendung einer PSI zur Umstellungsosteotomie mit Vorverlagerung des Oberkiefers bei einer Patientin mit maxillärer Retrognathie und voroperierter Lippen-Kiefer-Gaumenspalte.

Abb. 3. Verwendung eines patientenspezifischen Implantates (PSI) bei einer Umstellungsosteotomie zur Vorverlagerung des Oberkiefers. Die Patientin ist aufgrund einer Lippen-Kiefer-Gaumenspalte mehrfach voroperiert und weist typischerweise eine Oberkieferrücklage auf. Das PSI dient sowohl als Osteotomieschablone, Positionierungsschablone und Osteosyntheseplatte. A) Virtuelle Planung mit Gesichtsschädel und PSI (gelb). B) CAD/CAM-gefertigtes PSI am STL-Modell. C) Intraoperativer Situs vor der Osteotomie in der Le Fort I Ebene mit einem kranialwärts der geplanten Osteotomie fixiertem PSI, welches zu diesem Zeitpunkt als Osteotomieschablone fungiert. D) Situs nach Osteotomie in der Le Fort I Ebene. E) Situs nach Vorverlagerung des Oberkiefers, das PSI dient dabei als Positionierungshilfe und wird dann abschließend zur Osteosynthese verwendet. F) 3D-Rekonstruktion des postoperativen CTs.

PSI als Formkörper oder in Gitterstruktur zur alloplastischen Rekonstruktion von Anteilen des Unterkiefers, des Mittelgesichtes und der Kalotte

Neben ihrer Eigenschaft als Osteosynthesematerial eignen sich PSI auch zur alloplastischen Rekonstruktion von Anteilen des Gesichtsschädels und der Kalotte. Indikationen sind hier die Strukturwiederherstellung nach Tumoren, bei ausgedehnten Traumata oder im Rahmen der Fehlbildungschirurgie. Gut etabliert ist dabei die Deckung von Kalottendefekten. Für die Kranioplastik eignen sich sowohl Titanimplantate als auch PEEK, wobei über hohe Erfolgsraten berichtet wird [5].Aufgrund ihrer sehr guten Passgenauigkeit sind PSI insbesondere bei der Rekonstruktion der Orbitawände eine wertvolle Alternative zu manuell angebogenen oder konfektioniert präformierten Obritameshes [4, 11] (Abb. 4). Dies gilt insbesondere für ausgedehnte Orbitabodenfrakturen oder kombinierte Frakturen der inferioren und medialen Orbitawand. Bei großer Ausdehnung kann es notwendig sein, zwei separate und aufeinander abgestimmte Platten zu verwenden. Mittlerweile ist der Workflow derart gestrafft worden, dass die primäre Versorgung solcher Frakturen innerhalb eines Zeitfensters von einer Woche möglich geworden ist.PSI eignen sich auch zur alloplastischen Wiederherstellung von Strukturen anderer Mittelgesichtsbereiche wie der Jochbeinregion oder Paranasalpfeiler. Bei der Korrektur von in Fehlstellung verheilten Frakturen können PSI kombiniert als Osteosyntheseplatten nach Osteotomie und Reposition von Fragmenten und als alloplastische Formkörper eingesetzt werden. Eine weitere Indikation bei der PSI als solide Formkörper eingesetzt werden könnten ist perspektivisch der Ersatz des Kiefergelenkes.Auch in der ästhetischen Gesichtschirurgie finden PSI Verwendung. Dabei können die Osteotomie und Reposition oder Augmentationen von Anteilen des Gesichtsschädels, wie beispielsweise der Jochbeinprominenz, der Kinn- und Kieferwinkelregion, dreidimensional simuliert und durchgeführt werden.

Abb. 4. Patient mit einer ausgedehnten Fraktur im Bereich des Orbitabodens und der medialen Orbitawand links. A) Präoperatives Computertomogramm mit Darstellung der Fraktur. B) Virtuelle Planung eines patientenspezifischen Implantates (PSI, blau dargestellt) als Titangitter zur Rekonstruktion der Orbitawände.

Zusammenfassung und Ausblick

PSI haben mittlerweile ihre Eignung für eine Reihe von Indikation in der MKG-Chirurgie bewiesen. Es ist davon auszugehen, dass sie sich auf der Basis technischer Weiterentwicklungen und zu erwartender Kostensenkungen sowie verbesserter Abbildung in den Vergütungssystemen rasch weiter etablieren werden. Bei aller Begeisterung für die neuen Techniken sollten allerdings die sich abzeichnenden Vorteile wie erhöhte Genauigkeit und Zeitersparnis durch aussagekräftige randomisierte prospektive und multizentrische Studien hinterlegt und auch mögliche Fehlerquellen und Nachteile kritisch herausgearbeitet werden. Nicht zuletzt werden PSI in Zukunft auch bei Verfahren des kraniofazialen Bone Tissue Engineering eine wichtige Rolle spielen, da durch die CAD/CAM-Fertigung von Leitschienen die komplexe Morphologie des Gesichtes rekonstruiert werden kann [1, 3].

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Quelle der klinischen Fotos:R. Herzig und G. ­Poetzel

Probst F. A. / Cornelius C.-P. / Ehrenfeld M. Individuelle patientenspezifische Implantate in der MKG-Chirurgie. Passion Chirurgie. 2017 März, 7(03): Artikel 03_01.

Autoren des Artikels

Profilbild von Florian Probst

Dr. med. Dr. med. dent. Florian Probst

Facharzt für Mund-, Kiefer- und GesichtschirurgieKlinikum der Universität MünchenKlinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und GesichtschirurgieLindwurmstraße 2a80337München kontaktieren
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Professor Dr. med. Dr. med. dent. Michael Ehrenfeld

KlinikdirektorKlinikum der Universität MünchenKlinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie kontaktieren

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