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Die präoperative Fertigung von Schädelimplantaten


Die Rekonstruktion großflächiger Schädeldefekte nach Unfällen oder Gehirnoperationen mittels Implantaten, als Kranioplastik bezeichnet, dient vor allem dem Schutz des Gehirns; sie soll allerdings auch normal wirkende Konturen wiederherstellen. Häufig wird dazu dem Patienten selbst Knochen oder Knorpel – meist aus einer Rippe oder der Beckenschaufel – entnommen.

Unvermeidlich ist dieser Eingriff eine zusätzliche Belastung und verlängert die Operationsdauer. Außerdem weist das Verfahren weitere Nachteile auf: Die Spenderregion wird beeinträchtigt, und die Menge des zur Verfügung stehenden Materials ist beschränkt; des weiteren sind Um- und Abbauprozesse von transplantiertem Knochen beziehungsweise elastische Deformierungen von Knorpel nicht vorhersagbar, so daß eine ideale, langfristige stabile Formgebung nicht gewährleistet werden kann. Zum Beispiel beobachtete einer von uns (Eufinger), daß eine durch Unfall völlig zerstörte Stirn mit drei 15 Zentimeter langen, jeweils noch längs gespaltenen Rippensegmenten ästhetisch sehr zufriedenstellend rekonstruiert wurde, aber innerhalb von fünf Jahren die transplantierten Knochen völlig abgebaut waren.

Eine Alternative wären Gewebe fremder Spender. Sie werden jedoch meist vom Immunsystem abgestoßen und bergen zudem ein Infektionsrisiko.

Deshalb verwendet man alloplastische – nichtbiologische gewebefreundliche – Materialien wie Kunststoffe, Metalle und Keramiken in verschiedensten Feldern der modernen Medizin für Implantate und Endoprothesen (in den Körper eingefügte Ersatzstücke). Alloplaste haben die genannten Nachteile nicht, können allerdings wiederum entzündliche Gewebsreaktionen hervorrufen; insbesondere gilt das für sogenannte Knochenzemente, intraoperativ anmischbare und einzupassende Polymethylmethacrylate, die während der Polymerisation Hitze entwickeln und Monomermoleküle freisetzen.

In der Kopfchirurgie hat sich schließlich in den vergangenen beiden Jahrzehnten Rein-Titan durchgesetzt, denn es ist gut verträglich, und der Knochen bildet mit der Metalloberfläche teilweise einen direkten Verbund. So werden derzeit praktisch alle Platten und Schrauben zum Zusammenfügen von Knochen sowie Implantate, die als künstliche Zahnwurzeln Kronen, Brücken und Prothesen stabilisieren, aus diesem Material gefertigt. Zur Versorgung von Schädeldefekten war es bislang jedoch ungeeignet, weil es nur mit Fräsmaschinen zu bearbeiten ist, die in sterilen Operationsräumen nicht zu betreiben sind; lediglich dünne, formbare Gitter lassen sich während des Eingriffs hinreichend anpassen.


Modelle des Schädeldefekts

Die Formgebung ist aber mit entscheidend für den Erfolg. Das Implantat soll an den Rändern des verbliebenen Knochens paßgenau sein und zudem die ästhetisch harmonische, spiegelsymmetrische Schädelkontur wiederherstellen. Während des Eingriffs am narkotisierten Patienten, wenn die sterile Abdeckung noch das Operationsfeld beschränkt, ist eine umfassende Beurteilung der Kontur indes kaum möglich; zur individuellen Anpassung müßte das Material plastisch eingebracht werden.

Deshalb strebte man an, das Implantat anhand von Modellen bereits vor der Operation zu formen. Zwar lassen sich wegen überlagernder Weichteile keine präzisen Abdrücke des Defekts gewinnen, doch mittels Röntgen-Computertomographie können knöcherne Strukturen exakt erfaßt, schichtweise abgebildet und ihre Konturen vom Rechner ermittelt werden. Unter strikter Wahrung der geometrischen Maße ist es dann möglich, daraus virtuelle Modelle in drei Dimensionen aufzubauen.

In der orthopädischen Chirurgie setzt man dieses Verfahren bereits ein, um individuelle Schäfte für Hüftgelenk-Endoprothesen mittels Computer Aided Design (CAD) zu konstruieren und durch angekoppelte Fräsmaschinen mittels Computer Aided Manufacturing (CAM) vor der Operation anzufertigen; sie werden dann zementfrei in den Markraum des Knochens eingesetzt. Weil dabei nur geringe Datenmengen zu verarbeiten sind und sich das Verfahren großenteils schematisieren ließ, wird es schon seit Anfang der achtziger Jahre angewandt.

Die sehr filigranen Knochenstrukturen des Schädels stellen aber ungleich höhere Anforderungen an die Präzision, und nach Schema läßt sich nur in weit geringerem Maße vorgehen. So sind bei der computertomographischen Datenaufnahme von häufig rund 100 Schichten in einem Millimeter Abstand Datenvolumina von 200 Megabyte (Millionen Byte) zu verarbeiten. Zudem enthält ein solcher Datensatz außer dem definierten Abstand keinen geometrischen Zusammenhang zwischen den einzelnen Schichten; herkömmliche CAD-Programme können aber die erforderliche Geometrie von Implantaten nicht schichtübergreifend ermitteln.

Darum beschränkt man sich in der Kopfchirurgie seit Mitte der achtziger Jahre auf folgendes Verfahren: Die Konturdaten werden zunächst direkt in Steuerinformationen etwa für Fräsmaschinen oder Stereolithographie-Anlagen (Spektrum der Wissenschaft, April 1995, Seite 90) umgesetzt. Dabei verfährt das Werkzeug in der Höhe nur um feste Abstände. Man spricht von einer 21/2-Achsen-Fertigung, während bei einer wirklich dreidimensionalen beliebige Kurven im Raum steuerbar sind. Dem so gewonnenen Modell eines Defekts im Maßstab 1 : 1 muß man dann die Prothese vor der Operation manuell anpassen.

Damit verbesserten sich zwar Übersicht und Planbarkeit; das Vorgehen ist jedoch nicht standardisierbar, sondern vom handwerklichen Geschick abhängig. Zudem erhöht der Zwischenschritt der Modellfertigung die Kosten, während er die Präzision vermindert; Metalle wie Titan sind nur bedingt in weiteren Schritten zu bearbeiten.


CAD/CAM-Implantatfertigung

Erst in jüngster Zeit erlauben leistungsfähige Hardware- und Softwarekomponenten aus dem industriellen CAD/CAM-Bereich, komplexe dreidimensionale Geometriemodelle von Schädelstrukturen aus den Datensätzen zu erstellen und Implantate auf der Basis sogenannter Freiformflächen zu konstruieren. Darunter versteht man beliebig unregelmäßige Flächen im Raum. Sie werden durch Parameterkurven höherer Ordnung – bis zur 21. – näherungsweise beschrieben (dreidimensionale Parameterkurven enthalten alle drei Raumkoordinaten in unterschiedlichen Potenzen und mit Parametern verknüpft; die Ordnung gibt die höchste Potenz in der Kurvenformel an). Anhand der rechner-internen Modelle lassen sich dann die Schädelprothesen auf einer Fräsmaschine direkt fertigen.

Dieses Verfahren haben wir in einer Kooperation des Knappschafts-Krankenhauses der Universität Bochum und des Dienstleistungsunternehmens CIP-Konstruktion entwickelt; es befindet sich seit 1993 in der klinischen Erprobung. Vergleichbare Entwicklungen sind uns nicht bekannt.

Wir setzen einen modernen Spiral-Computertomographen ein, bei dem die Patientenliege schon während der Rotation der Röntgenquellen durch das Gerät gefahren und so die benötigte Zeit für 80 bis 140 Schichtaufnahmen bei einem Abstand von einem Millimeter auf Sekunden anstatt von Minuten reduziert wird (normalerweise wird die Liege erst nach einer vollen Rotation der Quellen um den Schichtabstand verfahren). Der Patient vermag in dieser kürzeren Zeit eher jedwede Bewegung zu unterdrücken, und die Aufnahmen sind somit von höherer Qualität.

Mittels statistischer Analyseverfahren lassen sich aus den Röntgendichtewerten die Knochengrenzen bestimmen. Darauf wird ein Konturmodell aufgebaut und in ein 3D-Geometriemodell überführt. Mit dem CAD-Programm lassen sich eine räumliche Bewertung, die Operationsplanung sowie die geometrische Anpassung an den Defekt vornehmen. Bei der eigentlichen Konstruktion der Implantate hat sich folgendes Vorgehen bewährt:

- Die Außenfläche wird so generiert, daß der Übergang zur intakten Knochenoberfläche in allen Richtungen krümmungsstetig ist, also glatt verläuft; ihr Abstand wird auf einen halben Millimeter begrenzt.

- Die Prothese ist zwar gleichmäßig 1,5 Millimeter dick, ihr Rand aber konisch geformt (Bild 2), damit sie nicht durch die Schädelöffnung rutscht und auch bei leichten Abweichungen der berechneten von der tatsächlichen Geometrie des Defekts dicht anliegt.

- Zur Fixierung dienen ein Millimeter starke Laschen mit krümmungsstetigen Übergängen zur Außenfläche und eigens angepaßten Kontaktflächen zum Knochen. Jeweils zwei bis vier Schrauben verankern die Prothese.

- Paarweise Lochungen zur Wunddrainage sind gleichmäßig auf dem Implantat verteilt.

Nach der Modellierung werden die aufbereiteten Steuerdaten einer drei- oder fünfachsigen Fräsmaschine übertragen, die angefertigten Werkstücke dann noch nachbearbeitet. Diese mehr technischen Prozesse – Modellierung und Fertigung – sind zeitaufwendig und müßten optimiert werden.


Klinische Anwendungen

Bislang wurden neun Patienten mit Schädeldefekten bis zu 14 Zentimetern Durchmesser mit der dargestellten Methode versorgt. Davon hatten drei Schäden im Stirnbereich infolge eines Unfalls, die anderen mußten sich Eingriffen am Gehirn unterziehen. Die Patienten waren zuvor bereits bis zu fünfmal operiert worden; in vier Fällen verliefen Kranioplastiken aufgrund entzündlicher Komplikationen erfolglos.

Die Paßform der Prothesen erwies sich als präzise, die rekonstruierten Konturen waren glatt und harmonisch (Bild 1). Die Fixierungslaschen sowie die fünf Millimeter langen und ein Millimeter dicken Titanschrauben unterstützten die komplikationsfreie Heilung, weil nicht die geringste Bewegung Irritationen auslösen konnte. Der in allen Fällen gute Verlauf war auch durch die kürzere Operationszeit und die damit geringere Schädigung der Gewebe begünstigt: So entfallen bei einer Dauer des Eingriffs von 90 Minuten lediglich noch etwa fünf Minuten auf das Einlegen und Verschrauben des Implantats, die restliche Zeit verteilt sich auf die Darstellung des Defekts und den Wundverschluß. Die Patienten waren nur minimal körperlich beeinträchtigt und konnten rasch das Krankenbett verlassen.

Im Unterschied zur intraoperativen oder indirekten Modellierung kombiniert die CAD/CAM-Herstellung individueller Implantate die Vorteile von Vorfertigung und technischem geometrischem Design wie etwa standardisierbaren technischen Konstruktionsprinzipien. Einschränkungen ergeben sich eher aus medizinischer Sicht: So wäre es durchaus möglich, mit fünf Mikrometern Genauigkeit Prothesen dem Defektrand spaltfrei anzupassen, doch ließen sie sich dann in den unregelmäßigen Knochenrahmen nicht mehr einsetzen. Durch die Konusform sind Passung und Stabilität dennoch gewährleistet.

Analog der Fertigung industrieller Formwerkzeuge ließen sich künftig auch Hohlformen herstellen, um formbare Materialien zu individuellen Implantaten zu verarbeiten. Die Flexibilität der neuen Methode wird zudem einem Transfer in andere Bereiche der Kopfchirurgie förderlich sein. Die Kosten, die sich aus dem Zeitaufwand von etwa drei Arbeitstagen für Gerätenutzung und Personal sowie dem Materialpreis errechnen, müssen dabei gegen die höhere Qualität der Versorgung, die geringere Beeinträchtigung des Patienten und die Verkürzung der sehr kostenrelevanten Operationsdauer abgewogen werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1995, Seite 92
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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