zur Navigation zum Inhalt
Abb. 1: Planung mit der Software der Firma RoboDent. Basierend auf importierten Bilddaten werden die für die Beurteilung des Knochenangebots und zur Ausrichtung der Implantate benötigten Ansichten berechnet.

Abb. 2: Ablauf der eigenständigen Herstellung von Bohrschablonen ohne zusätzlichen Bissabdruck mit 3-D-Druck.

Abb. 3: Navigationsinstrumente mit unterschiedlichen Reflektoren für die dentale Implantologie. Links ist jeweils der Patiententracker mit Bissschiene und rechts das navigierte dentale Bohrerhandstück dargestellt.

Abb. 4: Versuchsaufbau für das Lasern von Kavitäten für Implantate mit navigierter Leistungssteuerung. Rechts ist der Laser zu sehen, links das Navigations- mit optischem Messsystem.
Die Darstellungen des Navigationssystems wurden zusätzlich auf einen
Plasmabildschirm ausgegeben.

Abb. 5: Unterschiede zwischen der geplanten Implantatlage und dem tatsächlichen Ergebnis. Geringe Winkelabweichungen des Implantats können über die gesamte Implantatlänge an der Implantatspitze zu einer Verschiebung von mehreren Millimetern führen.

Abb. 6: Dargestellt sind die Hauptkomponenten eines Systems zur strahlungsfreien Implantatvermessung. Über das Navigationssystem mit Panel-PC und optischem Messsystem kann die Lage des Bohrerhandstücks relativ zum Patienten vermessen werden. Dafür werden jeweils optische Tracker verwendet. Über das Handstück erfolgt dann mit einem Messadapter die Berechnung der Lage des Implantats im Patientenkiefer.

a

b
Abb. 7: Klinischer Einsatz. a) Der Messadapter wird in ein gesetztes Implantat eingeschraubt. b) Auf den eingeschraubten Messadapter wird das navigierte dentale Handstück gesteckt. Die Lage des Implantats kann somit vermessen werden.

 
Zahnheilkunde 23. September 2009

Innovationen bei computergestützten Eingriffen

Neue Technologien unterstützen den Chirurgen bei der Bildgebung, Planung und Durchführung eines Eingriffs sowie bei der anschließenden Dokumentation.

Konkrete Ziele sind: die Umsetzung einer präoperativen Planung mit einer Genauigkeit von < 1 mm, der Schutz von Risikostrukturen, die Erhöhung der Sicherheit für den Patienten und die Dokumentation des Eingriffs und der Ergebnisse.

 

Der Trend bei den Navigationssystemen geht zur einfachen Bedienung und kleinen transportablen Bauform. Neue Herstellungsverfahren sollen die eigenständige Fertigung einer Bohrschablone anhand einer computerbasierten Planung ermöglichen.

Auch innovative Instrumente mit Vorteilen für die spätere Einheilung der Implantate wie z.B. Laser lassen sich durch die Kombination mit computergestützten Assistenzsystemen einsetzen. Des Weiteren werden Systeme entwickelt, um die Qualitätskontrolle und Dokumentation eines Eingriffs zu ermöglichen, ohne dabei Nachteile, wie sie durch den Einsatz von Röntgenstrahlung (CT) entstehen, in Kauf nehmen zu müssen.

Im Folgenden wird ein Überblick über die einzelnen Schritte, die eingesetzten Geräte und möglichen Verfahren in der dentalen Implantologie gegeben.

Präoperative Bildgebung

Die präoperative Bildgebung kann in zwei- und dreidimensionale Verfahren unterteilt werden.

Das Standardverfahren für die präoperative Bildgebung ist die zweidimensionale Orthopantomographie (OPG). Der Vorteil dieses Verfahrens besteht in der geringen Strahlungsdosis. Die diagnostische Verwertbarkeit ist aber durch die Zweidimensionalität begrenzt. Des Weiteren handelt es sich beim OPG nicht um ein kalibriertes bildgebendes Verfahren. Damit kann einem Grauwert in den Bilddaten nicht eindeutig eine Dichte und damit eine bestimme Gewebeart zugeordnet werden.

Für die computergestützte Planung und Durchführung eines Eingriffs werden zumeist dreidimensionale bildgebende Verfahren wie Computertomographie (CT) oder digitale Volumentomographie (DVT) eingesetzt. Die CT beruht auf einer schichtweisen Bildaufnahme.

Diese werden in Hounsfield-Einheiten angegeben. Damit lässt sich einem Grauwert in den Bilddaten eine Gewebeart zuordnen und eine Segmentierung beispielsweise der Knochenoberfläche automatisch durchführen. Des Weiteren können basierend auf den kalibrierten Bilddaten auch eingebrachte Marker eines bestimmten Materials, wie beispielsweise Titan, automatisch segmentiert und für automatische Registrierverfahren eingesetzt werden.

Bei der DVT wird – anders als bei der CT mit schichtweise aufgezeichneten Daten – ein Volumen aufgenommen. Damit ist die DVT grundsätzlich für die spätere computergestützte Planung und Durchführung des Einsatzes geeignet. Jedoch sind die Bilddaten nicht kalibriert. Dies hat zur Folge, dass der Benutzer die Segmentierung der Knochenoberfläche manuell durchführen muss.

Planungsverfahren

Die Planung des Eingriffs kann entsprechend dem verwendeten präoperativen bildgebenden Verfahren in zwei- und dreidimensionale Planungsverfahren unterschieden werden. Dabei lässt sich auch eine Kombination aus der Planung am Gipsmodell und zweidimensionaler OPG-Aufnahme verwenden. Die Aufgaben der Planung in der dentalen Implantologie sind: Definieren von Sicherheitsbereichen (beispielsweise Nervenverläufe) und Definieren der Implantatlagen.

Die dreidimensionale Planung für die computergestützte Präparation des Knochens wird auf der Basis der präoperativ akquirierten 3-D-Bilddaten durchgeführt. Folgende Schritte sind für die Planung eines computergestützten Eingriffs notwendig: Einlesen der Bilddaten, Einzeichnen der Panoramalinie, Generieren des 3-D-Modells, Auswählen und Ausrichten der Implantate und Einzeichnen des Nervenverlaufs. Die Bilddaten, welche als Basis für die Planung dienen, werden von einer CD, DVD oder per PACS in die Planungssysteme importiert. Durch die Verwendung des DICOM-Standards lassen sich Daten unterschiedlicher bildgebender Systeme unabhängig vom jeweiligen Hersteller einlesen.

Aus diesen Bilddaten werden die benötigten Ansichten für die Planung errechnet (siehe Abbildung 1). Dafür wird in einem ersten Schritt eine Panoramalinie eingezeichnet und entlang dieser Linie eine Panoramaansicht berechnet. Diese stellt die Bilddaten in einer OPG-ähnlichen Weise dar und ermöglicht eine intuitive Orientierung. Neben der Panoramaansicht wird aus den eingelesenen Bilddaten ein 3-D-Modell berechnet und dargestellt. Werden für die Planung CT-Daten verwendet, kann die für die Darstellung des 3-D-Modells benötigte Knochenoberfläche automatisch segmentiert werden. Bei nicht kalibrierten Bilddaten (z. B. DVT) muss eine manuelle Einstellung des Schwellenwerts erfolgen.

In der Panoramaansicht kann der Nervenverlauf (Unterkiefer) erkannt und eingezeichnet werden. Des Weiteren lassen sich geplante Implantate hinsichtlich Position und Orientierung ausrichten. Zusätzlich wird für jedes geplante Implantat ein Querschnitt („cross section“) des Kiefers an der entsprechenden Stelle dargestellt. In dieser Ansicht kann die Implantatachse auf den späteren Aufbau ausgerichtet werden. Die Planungsdaten können gespeichert und exportiert werden. Sie lassen sich dann für die Herstellung einer Bohrschablone oder für eine navigierte Implantation verwenden.

Schablonenherstellung

Die Herstellung von Bohrschablonen kann als zusätzlicher Schritt der Planung angesehen werden. Sie erfolgt entweder klassisch mit einem Gipsmodell oder computergestützt auf der Basis einer dreidimensionalen Planung. Beim zweitgenannten Verfahren wird eine Bohrschablone mithilfe der Stereolithographie oder durch eine computergesteuerte Fräse erzeugt. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung einer Bohrschablone besteht darin, Bohrlöcher und Bohrhülsen durch eine navigierte Fräse einzubringen. Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Herstellung von Bohrschablonen im 3-D-Druckverfahren. Der Vorteil dieser neuen Methode besteht darin, dass auf einen zusätzlichen Bissabdruck und eine externe Schablonenfertigung verzichtet werden kann. Die intraoperative Umsetzung der Planung kann freihändig, mit Bohrschablone oder mit computergestützter Navigation erfolgen. Neben den klassischen Bohrern lassen sich auch Laser für das Präparieren der Implantatbetten einsetzen. Bei der Umsetzung der Planung mit Bohrschablonen wird die Lage des Bohrers durch die Bohrhülsen in der Schablone vorgegeben. Für die Navigation haben sich Systeme mit optischen Messsystemen etabliert. Über solche Messsysteme kann die Lage des verwendeten navigierten Bohrerhandstücks relativ zum Patienten vermessen werden, wobei das Handstück mit einem optischen Messkörper (Tracker) ausgestattet wird. Bei den Trackern werden solche zur Einmalverwendung und autoklavier- bare unterschieden.

Für die Darstellung der aktuellen Instrumentenlage zum Patienten und zu den präoperativen Planungs- und Bilddaten muss der Übergang zwischen den Bild- und Planungsdaten und den optischen Messdaten ermittelt werden. Dieser als Patientenregistrierung bezeichnete Vorgang kann prinzipiell auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden: durch Landmarkenregistrierung, durch Oberflächenregistrierung oder durch automatische Markerregistrierung.

Aufgrund der geforderten hohen Genauigkeiten in der dentalen Implantologie hat sich die automatische Markerregistrierung durchgesetzt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht neben der hohen Genauigkeit darin, dass es bei kalibrierten Bilddaten (CT) automatisch ohne zusätzliche Benutzerinteraktion durchgeführt werden kann. Die Patientenregistrierung erfolgt dabei über eine Bissschiene mit Titanmarkern.

Es konnte gezeigt werden, dass unter Berücksichtigung der gesamten Fehlerkette eine Genauigkeit von <1 Millimeter erreicht wird. Durch diese hohe Genauigkeit und das intuitive Bedienkonzept sind die Systeme praxistauglich einsetzbar.

Postoperative Kontrolle

Die postoperative Kontrolle der Lage von Dentalimplantaten erfolgt zumeist anhand radiologischer Daten, die mit der OPG, CT oder DVT erhoben werden. Ein Vergleich mit der präoperativen Planung ist dabei nicht möglich. Das Computer- und digitale Volumentomogramm erlauben eine dreidimensionale Bewertung der Implantatlage. Für die intraoperative Dokumentation des Bohrvorgangs stellten Szymanski u. Lüth ein Protokollierungssystem vor. Dieses speichert die Lage des Instrumentes relativ zum Patienten auf der Basis der Navigationsinformationen.

In der Forschung werden zur Auswertung von Implantatspositionen zumeist postoperative CT-Aufnahmen verwendet. Diese werden dann den präoperativen CT-Daten angeglichen. Somit lässt sich die postoperative Situation mit der präoperativen vergleichen. Diese Methode wurde beispielsweise für Verifizierung der Implantatslage nach einer bohrschablonen- oder na-vigationsgestützten Implantation eingesetzt.

Strahlungsfreie optische Messung

Für den Vergleich der CT-Daten existieren Softwarelösungen. Der Abgleich basiert hierbei auf dem so genannten Mutual Information Algorithmus. Es wurde jedoch gezeigt, dass sich die dreidimensionale Kontrolle von Implantatpositionen auch strahlungsfrei auf der Basis optischer Messung durchführen und dokumentieren lässt.

Ausgehend von aktuellen Problemen in der navigierten dentalen Implantologie werden neue Ansätze für die Planung und Umsetzung dentalimplantologischer Eingriffe verfolgt und umgesetzt. Diese Ansätze umfassen neben der stetigen Verbesserung der existierenden Navigationssysteme hinsichtlich Größe der Systeme und Instrumente auch neue Herstellungsverfahren für Bohrschablonen, die Integration innovativer Instrumente wie Laser und die strahlungsfreie Vermessung und Dokumentation der intra- und postoperativen Implantatlagen.

Bohrschablonen mit 3-D-Drucker

Soll die computerbasierte Planung mit einer Bohrschablone erfolgen, erweitert sich die Planung um den Schritt der Bohrschablonenherstellung, die in der Regel von einer externen Firma durchgeführt wird.

Um dem Chirurgen oder Zahntechniker zu erlauben, planungsbasierte Schablonen ohne zusätzlichen Bissabdruck eigenständig zu fertigen, werden aktuell Verfahren zur Herstellung mit einem 3-D-Drucker entwickelt und realisiert. Neben der Zeitersparnis soll die Preisentwicklung von 3-D-Druckern dabei auch eine preiswerte Fertigung ermöglichen.

Der Herstellungsprozess der Bohrschablone mit einem 3-D-Drucker läuft dabei in folgenden Schritten ab (siehe Abbildung 2):

  • Durchführung der Planung auf der Basis präoperativer dreidimensionaler Bilddaten
  • Erzeugung eines 3-D-Modells mit den geplanten Implantatachsen
  • Druck des Kiefermodells mit den geplanten Implantatachsen
  • Aufsetzen von Bohrhülsen auf die Implantatachsen des gedruckten Modells und
  • Fertigen einer Bissschiene mit eingeschlossenen Bohrhülsen.

 

Voraussetzung für die Fertigung einer Bohrschablone mit einem 3-D-Drucker ist die Kalibrierung der Druckerparameter für eine ausreichende Maßhaltigkeit des gedruckten Kiefermodells. Dadurch wird gewährleistet, dass die auf dem gedruckten Kiefermodell gefertigte Bohrschablone exakt auf den Patientenkiefer passt. Der Vorteil der Kalibrierung besteht darin, dass sie nur einmal durchgeführt werden muss und anschließend mehrfach verwendet werden kann.

Das Verfahren erlaubt eine eigenständige Herstellung von Bohrschablonen ohne zusätzlichen Bissabdruck innerhalb weniger Stunden.

Neue optische Messkörper für die Navigation

Für die Navigation in der dentalen Implantologie stehen kommerziell erhältliche und in der Praxis erprobte Navigationssysteme zur Verfügung. Als System für die Vermessung der Lage eines Bohrerhandstücks relativ zum Patienten haben sich passive optische Messsysteme durchgesetzt. Diese basieren auf der Aussendung von Infrarotlicht und der Reflektion auf den Reflektorkugeln der einzelnen Marker der Tracker. Eine Besonderheit stellen die Tracker der Firma RoboDent dar. Hier werden anstelle der nur einmal verwendbaren Disposable-Kugeln Glaskugeln eingesetzt. Diese haben den Vorteil, dass sie gereinigt, sterilisiert und damit wiederholt verwendet werden können.

Damit können die optischen Tracker am Patienten und am Bohrerhandstück wesentlich verkleinert und somit kleinere Tracker gefertigt werden. In Abbildung 3 sind Navigationsinstrumente mit unterschiedlichen Reflektoren für die dentale Implantologie dargestellt.

Navigated Control Bohrer

Eine Erweiterung der Navigationssysteme sind solche mit positionsabhängiger Leistungssteuerung (Navigated Control). Dabei wird auf der Basis der Navigationsdaten die Leistung eines aktiven Instruments in Abhängigkeit von seiner Position gesteuert. Einen Bedarf für dieses Verfahren gibt es in folgenden Situationen:

  • Der Bohrer oder Fräser befindet sich nicht mehr an der richtigen Position.
  • Die Bohrachse weicht zu stark ab.
  • Die gewünschte Bohrtiefe wurde erreicht.
  • Der Bohrer nähert sich einer sensiblen Struktur (Nerv) zu sehr.
  • Ein definiertes Gewebevolumen wurde bereits abgetragen.
  • Der Fräser verlässt das Arbeitsgebiet oder erreicht ein Sicherheitsgebiet.

Damit werden die Sicherheit für den Patienten und der Komfort für den Chirurgen erhöht. Der Chirurg ist nicht mehr auf die visuelle Darstellung der Navigationsdaten angewiesen, sondern kann sich auf den Situs konzentrieren. Das System verringert beispielsweise die Drehzahl einer Fräse, wenn sie sich einer sensiblen Struktur nähert.

Navigated Control Laser

Der Einsatz von Lasern für die Präparation von Implantatbetten bietet den Vorteil der geringeren Knochenschädigung und damit der Verkürzung der Einheilzeit der Implantate. Den Vorteilen der Lasertechnik stehen aber prinzipbedingte Nachteile gegenüber.

So verliert der Chirurg das haptische Feedback und die Tiefenkontrolle beim Knochenabtrag. Um die Vorteile der Lasertechnik dennoch nutzen zu können, werden Assistenzsysteme entwi-ckelt, die auf optischer Navigation und lageabhängiger Leistungssteuerung basieren. Durch eine Kombination des Lasersystems mit einem Navigationssystem, einem Volumenmodell des Knochens und einem mathematischen Modell kann der Abtrag berechnet und visualisiert werden (siehe Abb. 4). Die Berechnungen der Modelle werden dann für die Steuerung des Lasers verwendet. Über eine zusätzliche Schnittstelle kann die Freigabe von Laserpulsen vom Assistenzsystem unterbunden werden. Dies geschieht in folgenden Fällen:

  • Der Laser ist nicht auf die in der Planung definierte Struktur gerichtet.
  • Der Laserbrennpunkt ist zu weit von der Knochenoberfläche entfernt. (Die Qualität des Laserabtrags ist schlecht.)
  • Die geplante Tiefe der Kavität ist an der Stelle, auf die der Laser gerichtet ist, bereits erreicht.

 

Damit können anhand einer Planung tiefenbegrenzte Kavitäten für Implantate gefertigt werden.

3-D-Vermessung von Implantaten

Für die Beurteilung der Lage des gesetzten Implantats und für einen Vergleich mit der Planung wird das Ergebnis dreidimensional vermessen. Der Chirurgmuss beurteilen, ob die Tiefe, die Position und die Ausrichtung des Implantats mit der Planung übereinstimmen (siehe Abb. 5). Da anzunehmen ist, dass Strahlenbelastungen im abheilenden Gewebe ungünstige Reaktionen hervorrufen und die Knochenheilung gehemmt wird, sollten möglichst wenige Röntgenaufnahmen gemacht werden. Aus diesem Grund muss die Aufnahme von CT-Daten als ungünstig angesehen werden. In OPG-Aufnahmen mit geringerer Strahlenbelastung ist jedoch keine dreidimensionale Beurteilung der Implantatlage oder ein Vergleich zur präoperativen Planung möglich.

Für den strahlungsfreien dreidimensionalen Vergleich der intra- und postoperativen Lage der inserierten Implantatewerden aktuell Verfahren und Systeme entwickelt, welche auf optischer Vermessung basieren. In Abbildung 6 sind die Komponenten eines Systems zur Vermessung der Implantatlage dargestellt. In das Innengewinde eines eingesetzten Implantats wird ein Messadapter eingeschraubt und auf diesen ein navigiertes dentales Handstück aufgesetzt. Der Patient trägt während der Vermessung eine Bissschiene mit einem optischen Tracker. Die Lage des Handstücks wird über das optische Messsystem des Navigationssystems relativ zum Patienten und zu den Planungsdaten vermessen. Über den Messadapter und die bekannte Größe und Form des gesetzten Implantats kann die Position und Lage des Implantats bestimmt werden. Des Weiteren ist ein Vergleich zur Planung möglich. Der klinische Einsatz einer solchen Vermessung wird in Abbildung 7 veranschaulicht.

 

Literatur bei den Verfassern

 

Kontakt:

Prof. Dr. Tim E. Lueth, IMETUM,

Zentralinstitut für Medizintechnik Technische Universität München

E-Mail:

Der ungekürzte Originalartikel ist erschienen in:

MKG-Chirurg 2008 • 1:10–21

© Springer Medizin Verlag

Kasten:
Fazit
Die erzielten Fortschritte in der computergestützten dentalen Implantologie ermöglichen ein präzises und sicheres Einbringen von Implantaten. Durch den Einsatz von Navigationssystemen kann eine präoperative Planung intraoperativ umgesetzt werden, ohne Nachteile wie lange War-tezeiten und eine eingeschränkte Kühlung des Bohrkanals in Kauf nehmen zu müssen, wie es beim Einsatz von Bohrschablonen der Fall ist. Zukünftige Entwicklungen zum eigenständigen Fertigen von planungsbasierten Bohrschablonen könnten zumindest den Nachteil der Herstellungszeit minimieren. Die Verwendung von Lasern zur schonenden Knochenbearbeitung wird durch den Einsatz der Navigation und der lageabhängigen Steuerung der Leistung ermöglicht werden. Ob diese Systeme mit dem Bohrer als Standardinstrument konkurrieren können, wird die zukünftige Entwicklung zeigen.

Von Dr. Tim C. Lüth, Dr. Sebastian Stopp, Ing. Thomas Maier , Zahnarzt 10 /2009

Zu diesem Thema wurden noch keine Kommentare abgegeben.

Mehr zum Thema

<< Seite 1 >>

Medizin heute

Aktuelle Printausgaben