Wenn Karikaturisten Persönlichkeiten des öffentlichen Lebens aufs Korn nehmen, überzeichnen sie gern die charakteristischen Merkmale des Gesichts, der wohl wichtigsten Schnittstelle in der Kommunikation zwischen Menschen, wie Redewendungen von "freundlichen Augen" oder einem "verschlossenen Gesichtsausdruck" verdeutlichen.

Patienten, deren Gesichtsschädel durch Unfall oder Krankheit oder von Geburt an deformiert ist, haben dementsprechend soziale, oft auch körperliche Probleme. Als Gesichtschirurgen versuchen wir, wo möglich, Defekte zu reparieren. Dabei mangelt es den meisten Kollegen an einer effektiven technischen Unterstützung. So diffizil es oft ist, ein durch Unfall verschobenes Stück Knochen an die ursprüngliche Stelle zu bewegen oder eine Lücke zu schließen, so altertümlich mutet das übliche Vorgehen an: Die Planung und Durchführung der Operation erfolgt meist nur nach Augenmaß und im Vertrauen auf das eigene handwerkliche Geschick. Die Darstellung der Gewebeverteilung in den Schnittbildern der Computertomografen ist dabei eine große Hilfe. Seit den 1980er Jahren lassen sich daraus auch räumliche Modelle des unter dem Mantel von Haut, Fett und anderen Weichteilen verborgenen Knochens berechnen, doch im Allgemeinen fehlt die Verbindung zur realen Situation im Operationssaal.

Anfang der 1990er Jahre gelang es erstmals, Computertomografie(CT)-Daten zur Operationsplanung zu nutzen. Eine kleine Anleihe bei den Konstrukteuren industrieller Produkte half: Diese fertigten Kunststoffmodelle ihrer am Computer ausgeführten Entwürfe mittels Stereolithografie (dabei steuert ein Computer einen Laserstrahl durch ein Kunststoffbad; das Polymer härtet an den belichteten Stellen aus). Aus den räumlichen Computermodellen des Schädels werden so reale Modelle, die der Arzt in die Hand nehmen, auseinander sägen und neu zusammenfügen kann, um seinen Eingriff vorzubereiten. Allerdings ist die Zahl dieser Probeläufe beschränkt, denn ein solches Modell kostet weit über 5000 Euro. Und noch immer fehlte ein Verfahren, die Planung am realen Patienten zu reproduzieren.

Gute Referenzen – präzise Operation

Jeffrey Fialkov vom Sunnybrook and Women’s College Health Sciences Centre in Toronto (Kanada) spannte daher im Jahr 1992 den Patienten in einen Kopfrahmen ein. Damit wurde er geröntgt, anhand des CT-Datensatzes dann der Eingriff geplant. Ein mechanischer Vorschub im Rahmen ermöglichte, das da-ran befestigte Knochensegment kontrolliert um die geplanten Millimeter zu versetzen. Für den Patienten war diese Methode jedoch eine Tortur, denn er musste den Rahmen bis zum Ende der Operation tragen.

Court B. Cutting und Russell H. Taylor vom Medizinischen Zentrum der Universität New York ließen sich davon inspirieren und ersetzten den Rahmen durch bis zu acht Markierungsschrauben, die im CT sichtbar sind. Sie dienten Cutting und Taylor als geometrische Bezugspunkte. Die Planung erfolgte am Computermodell, das auf dem CT-Datensatz basierte. Während der Operation wurden Instrumente und Planungsdaten mit Bezug zu den Markierungen in den Bilddatensatz des Patienten projiziert.

Cutting setzte sein Verfahren aber nur wenige Male ein, denn die Ungenauigkeit lag zwischen zwei und vier Millimetern, und das ist oft der Bereich, in dem Gesichtschirurgen Knochen therapeutisch versetzen. Die Fehlerquelle lag im Verfahren selbst begründet: Um die Strahlenbelastung erträglich zu halten, haben CT-Schichtaufnahmen im Mund-, Kiefer- und Gesichtsbereich einen Abstand von mindestens zwei Millimetern; eine Markierungsschraube konnte also im schlimmsten Fall genau zwischen zwei Schichten liegen und stellte sich damit im Computertomogramm nicht korrekt oder nur unzureichend dar.

Als wir vor sieben Jahren darangingen, eine durchgängige technische Unterstützung für die Gesichtschirurgie zu entwickeln, wollten wir zum einen die notwendige Präzision erreichen, zum anderen dem Patienten das Einsetzen von Markierungsschrauben in den Kopf vor einer CT-Aufnahme ersparen. Auf die im Folgenden beschriebene Weise haben wir mittlerweile achtzig Patienten erfolgreich behandelt.

Anstelle der acht Markierungsschrauben als Referenzpunkte fertigen wir auf der Basis eines kleinen (und damit kostengünstigeren) Stereolithografie-Modells des fehlstehenden Knochensegments eine Kunststoffschablone, die auf der Oberfläche des realen Knochenstücks wie ein Schlüssel im Schloss einrastet. Sie basiert auf durchschnittlich 2000 Oberflächenpunkten aus dem Computertomogramm und begründet die – gegenüber den nur acht Messpunkten von Cutting – höhere Genauigkeit. An dieser Schablone befestigen wir ein Infrarotsendesystem A, das uns während der Operation die aktuelle Position des zu bewegenden Knochens über eine Infrarotkamera meldet. Die Negativschablone ist dabei das Bindeglied zwischen Computer und realer Welt, denn ihre Geometrie leitet sich direkt aus dem CT-Datensatz (der virtuellen Welt) ab. Das Infrarotsendesystem kann fest mit ihr verbunden werden und lässt sich nun in den CT-Datensatz projizieren.

Um das Knochenstück während der Operation zusammen mit der Negativschablone und dem Sender A zu bewegen, benötigten wir noch ein unbewegtes Infrarotreferenzsystem B an der Schä-delkalotte. Über diese Referenz vergleicht der Computer Planung mit realem Eingriff. Dazu werden schließlich noch beide Sender vor dem Durchtrennen des Knochens eingemessen. Ihre räumliche Beziehung zueinander liegt nun fest, und B lässt sich in den CT-Datensatz spiegeln.

So lässt sich ein Knochen ganz ohne Markierungsschrauben gezielt bewegen, fachlich "navigieren". Der operative Vorgang selbst beginnt mit Einschnitten in Bereichen, die entweder von Haaren bedeckt sind oder eine ästhetisch unauffällige Narbenheilung versprechen. Von dort aus lösen wir die Weichteile vom Knochen, erzeugen sozusagen einen Tunnel unter der Haut zum fehlstehenden Knochensegment. Durch diesen Raum schieben wir die Negativschablone, bis sie in der richtigen Position einrastet; dann wird sie seitlich festgeschraubt.

Ein Laserscan ersetzt das Kunststoffmodell

Ein kleiner Schnitt über dem zu verschiebenden Knochensegment ermöglicht, das Infrarotsendesystem A am Adapter der Kunststoffschablone anzukoppeln. Es folgt die erste Messung, bei der die Position des Infrarotreferenzsystems B gegenüber dem Sendesystem A bestimmt wird. Dann sägen wir das Knochenstück aus, lösen und verschieben es.

Ein Monitor zeigt uns dazu ein Abbild des Knochens als Drahtgittermodell, das wir beim Navigieren in ein zweites überführen, das die Sollposition der Planung kennzeichnet. Dort wird das Knochensegment verschraubt, dann werden die technischen Hilfsmittel gelöst und die Schnitte vernäht. Auf diese Weise können wir auf einen Millimeter genau arbeiten, unserer Meinung nach eine ohne Roboterunterstützung kaum zu verbessernde Grenze.

Wir wollen aber den komplexen Vorgang der Referenzierung ganz dem Computer überlassen und die teure Stereolithografie vollständig umgehen. Dazu scannen wir zu Beginn der Operation den intakten Hautmantel samt Referenzsystem B mit einem Laser ein und überführen das gemessene Profil des Gesichts in das aus dem Computertomogramm berechnete. Die Schnittstelle zwischen realer und virtueller Welt ist nun dieser Laserscan, die Kunststoffschablone entfällt. Dass das Gesicht genügend formstabil ist, um einen präzisen Abgleich zwischen Patient und Computertomogramm zu gewährleisten, haben wir bereits in einer Machbarkeitsstudie gezeigt.

Da wir uns in dem neuen Laserscanverfahren nun etwa 60000 Oberflächenpunkte aus dem Computertomogramm zu Nutze machen können, wächst die Präzision des Verfahrens weiter. In vo-raussichtlich drei Jahren, so unsere Hoffnung, könnte das neue Laserscansystem mit vollautomatischer Patientenregistrierung zur Standardausstattung der Gesichtschirurgie gehören.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 2002, Seite 84
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH