Aus der Klinik und Poliklinik für
Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
des Zentrums für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde
der Medizinischen Hochschule Hannover

Die Navigation als Hilfe bei der Versorgung von Orbitawandfrakturen.
-Tierexperimentelle Untersuchung am Schwarzkopfschaf-

Dissertation

Zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin
in der Medizinischen Hochschule Hannover

vorgelegt von Heinz-Theo Lübbers

2003

1 Inhaltsverzeichnis

1 Inhaltsverzeichnis ... I

2 Einleitung ... 1

2.1 Geschichte der Navigation ... 1
2.2 Prinzip der Navigation ... 3
2.3 Navigation in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie ... 5
2.4 Orbitawandfrakturen ... 5

3 Ziele der Arbeit ... 8

3.1.1 Vorbereitungs- und Planungsphase ... 8
3.1.2 Intraoperative Phase ... 8
3.1.3 Postoperative Phase ... 8

4 Material und Methoden ... 9

4.1 Tiermodell ... 9

4.2 Versuchsablauf ... 9

4.3 Navigationssystem ... 10

4.4 Operatives und anästhesiologisches Vorgehen ... 11
4.4.1 Narkose, postoperative Analgesie, Tierhaltung und Euthanasie ... 11
4.4.2 Setzen von Orbitawanddefekten ... 12
4.4.3 Setzen der Referenzschrauben ... 13
4.4.4 Computertomographie ... 13
4.4.5 Rekonstruktion der Orbitawanddefekte ... 14
4.4.6 Abschlussbefunde und Gewinnung der Histologie ... 16

4.5 Navigatorisches Vorgehen ... 17
4.5.1 Datenerhebung ... 17
4.5.2 Präoperative Vorbereitung und Planung mit dem Navigationssystem ... 17
4.5.3 Intraoperative Navigation ... 22
4.5.4 Postoperative Nachbereitung ... 26

5 Ergebnisse ... 29

5.1 Hertelwerte ... 29

5.2 Orbitavolumina ... 30

5.3 Korrelation von Orbitavolumen und Hertelwerten ... 31

5.4 Zuverlässigkeit, Handhabbarkeit und Genauigkeit des Systems ... 33
5.4.1 Präoperative Planungsphase ... 33
5.4.2 Intraoperative Navigation ... 34

5.5 Klinische versus navigierte Rekonstruktion ... 35
5.5.1 Tier 1 (Calvarium split graft eine Woche nach Defektsetzung) ... 35
5.5.2 Tier 2 (Calvarium split graft eine Woche nach Defektsetzung) ... 36
5.5.3 Tier 3 (Biozement D® eine Woche nach Defektsetzung) ... 36
5.5.4 Tier 4 (Biozement D® eine Woche nach Defektsetzung) ... 37
5.5.5 Tier 5 (Biozement D® vier Wochen nach Defektsetzung) ... 37
5.5.6 Tier 6 (Biozement D® vier Wochen nach Defektsetzung) ... 38
5.5.7 Tier 7 (Calvarium split graft & BiozementD® eine Woche nach Defektsetzung) .. 38
5.5.8 Tier 8 (Calvarium split graft & BiozementD® eine Woche nach Defektsetzung) .. 39
5.5.9 Zusammenfassung Tier 1-8 ... 40

6 Diskussion ... 41

6.1 Tiermodell ... 41

6.2 Präzision der Navigation ... 41

6.3 Orbitavolumina ... 43
6.3.1 Statistische Auswertung ... 43
6.3.2 Präzision der Orbitavolumenmessungen ... 43
6.3.3 Klinische Relevanz der Orbitavoluminae ... 43

6.4 Prinzip der Spiegelung ... 44

6.5 Handhabbarkeit des Systems ... 45

6.6 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen ... 46

6.7 Ist die Navigation in der Orbitachirurgie von Vorteil? ... 47

6.8 Ausblick zur Anwendung von Navigation und Virtual Reality ... 47

7 Zusammenfassung ... 49

8 Literaturverzeichnis ... 51

9 Tabellarischer Anhang ... 60

9.1 Orbitavolumina in cm3 ... 60
9.2 Hertelwerte in mm ... 61
9.3 Messgenauigkeit Volumetrie (relative Abweichungen ohne Vorzeichen) ... 62
9.4 Veränderungen von Orbitavolumina und Hertelwerten ... 63
9.5 Intraoperative Präzision der Navigation in mm ... 67

10 Verzeichnis nichtgebräuchlicher Abkürzungen ... 68

11 Lebenslauf ... 69

12 Erklärung nach § 2 Abs. 2 Nrn. 6 und 7 ... 70

13 Danksagung ... 71

2 Einleitung

2.1 Geschichte der Navigation

Unabdingbare Voraussetzung für eine erfolgreiche Medizin sind Kenntnisse über die Vorgänge und Strukturen im menschlichen Körper im Allgemeinen sowie im jeweiligen Patienten im Besonderen. Vieles hiervon verschließt sich dem direkten Blick und muss vom Behandler auf andere Art und Weise als mit dem bloßen Auge in Erfahrung gebracht werden. Zahlreiche Methoden dienen diesem Zweck. Hierzu gehören Anamnese und klinische Untersuchung aber auch Ultraschall, Röntgen etc.

In der Chirurgie besitzt die Anatomie ohne Zweifel einen ganz besonderen Stellenwert. Ohne die genaue Kenntnis über den Aufbau des menschlichen Körpers ist ein chirurgischer Eingriff nicht denkbar.

Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen durch Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) am 8. November 1895 und ihren in der Folge entwickelten Anwendungen hat ein entscheidender Wandel in der Medizin begonnen. Der Arzt gewann erstmals Einblick in die individuelle Anatomie des lebenden Patienten. Wo der Chirurg sich bisher auf seine allgemeinen Kenntnisse der Anatomie verlassen musste, bekam er nun Informationen über Varianten und pathologische Veränderungen des speziellen Patienten. Dieser Einblick wurde mit der Entwicklung der verschiedenen Techniken, vom konventionellen Röntgenbild, über die konventionelle Tomographie, die Computer-, Magnetresonanz- und Positronenemissionstomographie, sowie die Ultraschalluntersuchung in ein, zwei oder drei Dimensionen immer vielfältiger und präziser. Doch mit der Zunahme an Information wurde es schwieriger, die vielfältigen Informationen zu einem Gesamtbild zusammenzusetzen.

Der Chirurg hat heute die Schwierigkeit, alle ihm vorliegenden bildgebenden Informationen zu einem Gesamtbild zusammenzubringen. Verschiedenste Verfahren in unterschiedlichen Schnittebenen und teilweise auch dynamischer Art wie z.B. der Ultraschall erleichtern diese Aufgabe nicht eben. Kurz: Die Informationsmenge nimmt immer weiter zu, ihre optimale Nutzung wird immer schwieriger.

Ein Ansatz zur Veranschaulichung der Informationen ist die Erstellung von stereolithographischen Modellen. Dazu wird aus einem ct-Datensatz ein Kunststoffmodell des Patientenskelettes gegossen oder gefräst, an dem die geplante Operation (z.B. komplexe Rekonstruktionen nach Trauma oder Tumorresektion, kraniofaziale Fehlbildungen) simuliert wird. Eine optima2 le Vorstellung über die Anatomie des Patienten ist gegeben und es werden Leitstrukturen genutzt, die während der Operation selbst nicht zur Darstellung kommen. Die Osteosyntheseplatten können schon präoperativ vorgebogen werden (Lindner et al. 1995). Allerdings sind Kosten und Zeitaufwand zur Modellerstellung sowie die fehlende Dynamik des Verfahrens entscheidende Nachteile (Hassfeld et al. 1998).

Eine weitere Entwicklung zur besseren Ausnutzung der vorhandenen Informationen ist die Navigation. Sie kann die bildgebenden Daten auf den Patienten übertragen und ermöglicht damit eine intraoperative Orientierung.

Der erste Schritt in diese Richtung war die Entwicklung des stereotaktischen Rahmens in der ersten Hälfte des 20.Jahrhunderts zunächst am Tiermodell (Horsley u. Clarke 1908) und später auch im klinischen Einsatz (Spiegel et al. 1947). Er ermöglichte es erstmals, eine präzise Beziehung zwischen der Patientenanatomie und den Informationen der bildgebenden Diagnostik herzustellen. In der Anwendung ist diese Methodik allerdings aus offensichtlichen Gründen eher unflexibel und auch nicht immer praktikabel. Sie blieb deshalb im Wesentlichen auf die Neurochirurgie beschränkt.

Ein weiterentwickeltes Verfahren, dass die Daten dem Operateur interaktiv zur Verfügung stellt, basierte auf einem Gelenkarm, mit dessen Hilfe ein Instrument innerhalb des OP-Feldes frei geführt werden konnte (Reinhardt et al. 1986; Watanabe et al. 1987). Über die feste Verbindung von Instrument und Gelenkarm errechnete ein Computer die genaue Position des Instrumentes und konnte diese in die in ihm gespeicherten bildgebenden Daten, wie z.B. einen computertomographischen Datensatz, einblenden. Der Operateur bekam die jeweils benachbarten Schichten angezeigt. Nachteil war wiederum die umständliche Apparatur: Der aus Präzisionsgründen notwendigerweise massive Metallarm mit mehreren Gelenken, musste im OPSaal installiert und zumindest teilweise steril verpackt werden (Horstmann u. Reinhardt 1994). Er störte die Bewegungsfreiheit des Operateurs und durfte intraoperativ keinesfalls verschoben werden, um Ungenauigkeiten zu verhindern (Ploder et al. 1995a).

Ähnliche Systeme wurden auch aus Deutschland (Mösges u. Schlöndorff 1988) und der Schweiz (Reinhardt u. Landolt 1989) vorgestellt, konnten sich jedoch im klinischen Alltag nicht durchsetzen. Lediglich von zwei Systemen (Kelly 1987; Mösges u. Schlöndorff 1988) ist in der Literatur ein ausführlicher Einsatz beschrieben. Beide kämpfen mit den systemimmanenten Problemen, wie sie oben beschrieben sind (Horstmann u. Reinhardt 1994).

1986 beschrieb zunächst Roberts (Roberts et al. 1986) ein System aus den USA, welches die Lokalisierung per Ultraschall vornimmt (Friets et al. 1989) und ohne störende Zusatzkonstruktionen auskommt. Die Technik basiert auf einem Patent aus dem Jahre 1969 (Whetstone et al. 1969). Seither ist man aufgrund neuentwickelter Technologien und insbesondere der günstig und in kompakter Form verfügbaren Rechenkapazität moderner Arbeitsplatzrechner in der Lage, immer komfortablere Systeme zu konstruieren. Sie arbeiten völlig ohne eine feste Verbindung zwischen Patient oder System auf der einen und dem OP-Instrumentarium auf der anderen Seite und weisen dennoch eine sehr hohe Präzision auf.

Diese im Grunde rein technische Weiterentwicklung erlaubte erstmals eine Einfachheit und Bequemlichkeit, die die Navigationssysteme aus ihrer Nische in der Neurochirurgie herausholte und sie für viele Einsatzzwecke praktikabel erscheinen ließ. Die modernen Systeme lassen sich leicht in jedem Operationssaal einsetzen (Roessler et al. 1997) und sind trotz ihres noch jungen Alters schon weit verbreitet (Haßfeld et al. 2000). Insbesondere der Verzicht auf Stereotaxierahmen senkt die Belastung für Patienten und Chirurgen erheblich und erweitert damit den Indikationsbereich.

2.2 Prinzip der Navigation

Die grundsätzliche Methodik der Navigation besteht darin, dass zwei 3D-Modelle in einem gemeinsamen geometrischen Kontext miteinander überlagert werden (Maurer u. Fitzpatrick 1993). Zum einen ein aus Untersuchungsdatensätzen der z.B. Computer- oder Magnetresonanztomographie errechnetes Modell des Patienten und zum anderen der Patient an sich. Beide werden über Referenzpunkte, die sich präzise lokalisieren lassen, in eine eindeutige Beziehung gesetzt. Benötigt werden hierbei mindestens drei nicht auf einer Linie liegende Referenzpunkte zur Transformation der Koordinatenräume (Wirtz et al. 1998). Nach dieser Referenzierung ist es möglich, jeden Punkt am Patienten im Bilddatensatz aufzusuchen und umgekehrt. Die Bilddarstellung erfolgt auf einem Monitor direkt am Operationstisch oder alternativ auch als Einblendung z.B. von wichtigen Strukturen aus der Bildgebung in ein Operationsmikroskop oder eine semiimmersive Datenbrille (Enislidis et al. 1995; Ploder et al. 1995a; Ploder et al. 1995b).

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