Anwendung der Computertomographie zur Bearbeitung der Prothese Codubix® auf individuelle Bestellung des Patienten

Krzysztof Karbowski 1, Marek Moskała2, Jarosław Polak2, Witold Sujka3, Andrzej Urbanik4

Krakauer Technische Hochschule, Lehrstuhl für Technik der Produktionsprozesse

Leiter des Lehrstuhles:Prof. Dr. hab. Ing.Józef Gawlik

Jagiellonen Universität, Collegium Medicum, Klinik für Neurochirurgie und Neurotraumatologie

Leiter der Klinik:Prof.an der Jagiellonen Universität Dr. hab. med.Marek Moskała

Tricomed S.A

Jagiellonen Universität, Collegium Medicum, Lehrstuhl für Radiologie

Leiter des Lehrstuhles:Prof. Dr. hab. med.Andrzej Urbanik

 

Einleitung: Die traditionell durchgeführte Behandlung der Kranioplastik erfordert die Vorbereitung der Form der Schädelprothese während der Operation. Um die entsprechende Form der Prothese sicherzustellen sowie die Notwendigkeit der zwischenoperativen Gestaltung ihrer Umrandungen zu eliminieren, hat man versucht, Prozeduren vorzubereiten, die in der Vorbereitung der an die Form des Kopfes des Patienten individuell angepassten Prothese bestehen. Die Grundlage für die Vorbereitung der Prothese ist die Analyse der Bilddaten nach der CT, die durch eine zu diesem Zweck speziell vorbereitete Software durchgeführt wird, mit der die Lage der Umrandungen der Schädelknochen identifiziert wird. Das Arbeitsresultat des Programms ist die räumliche Punktwolke, die an das System für Computermodellierung gesendet wird. Im System werden der Schädel und die Prothese modelliert sowie das Bearbeitungsprogramm für das Fräszentrum generiert, mit dem die Matrix der Prothese ausgeführt wird.

Material und Methoden: Die Analyse der CT-Aufnahmen sowie die Computermodellierung haben erlaubt, die Matrix zur Gestaltung der Schädelprothese Codubix® vorzubereiten.

Resultate: Die Implantation des individuell vorbereiteten Codubix® verbessert den Arbeitskomfort des Chirurgen, reduziert die Operationszeit, den Blutverlust, beeinflusst die Sicherheit des Kranken und die Betäubungskosten. Sie garantiert gleichzeitig den optimalen kosmetischen Effekt.

Schlussfolgerungen: Die Anwendung der Computermodellierung hat erlaubt, die an die Form des Kopfes des Patienten individuell angepasste Schädelprothese vorzubereiten.

Schlüsselwörter: Kranioplastik, Bildanalyse, Computermodellierung

Einleitung

Die notwendige Entfernung des Knochenlappens in der neurochirurgischen Behandlung ist die allgemein akzeptierte Verhaltensweise in vielen klinischen Situationen. In der Gruppe der traumatischen, onkologischen Kranken – Beseitigung von Hirntumoren, sowohl der ursprünglichen als auch sekundären, Operationen der Gefäßmalformationen, zwingt die zwischenoperativ festgestellte Vergrößerung des Gehirnvolumens zu einer so radikalen Entscheidung. Seltener ist die Durchführung der so umfangreichen Knochen-Hirnhaut-Druckentlastung das Ziel oder eine der Etappen der Operationen [1, 2]. Mit dem Fortschritt der Pharmakologie und der Anästhesiologie werden die Eingriffsmöglichkeiten ins intrakranielle Volumen-Druck-Gleichgewicht immer größer. In der klinischen Praxis jedoch ist der gegen die prophylaktische Behandlung unsensible intrakranielle Überdruck die Hauptursache des Todes bei Kranken mit traumatischer Gehirnbeschädigung. Deswegen empfehlen die europäischen (European Brain Injury Consortium) wie auch amerikanischen (Brain Trauma Foundation) Leitlinien die Knochen-Hirnhaut-Druckentlastung als sog. second tier therapy in der Behandlung des intrakraniellen Überdruckes [3]. Immer mehr Meldungen weisen auf die Wirksamkeit der Druckentlastung in den gewählten Gruppen der Patienten mit Infarkt innerhalb der nicht dominierenden Gehirnhälfte hin.

Die Wiederherstellung der natürlichen Form des Kopfes und der Schutz vor mechanischen Verletzungen ist, laut vielen Kranken mit Knochendefekt, der wichtigste psychologische Faktor. Diese Behandlung schließt eine bestimmte Heilungsetappe für den Kranken ein, nach der er sich auf die Rehabilitation und die Rückkehr zur normalen sozialen Aktivität konzentrieren kann. Das Auffüllen des Schädeldefektes – autogene Transplantation (eigener Knochen des Kranken) oder Implantation der Prothese (Titan-, Polypropylen-Polyesternetze, Derivate des synthetischen Hydroxyapatytes-Cal0(PO4)6(OH)) wird in verschiedenen Anstalten innerhalb von 2 Wochen bis zu 6 Monaten nach der ersten Behandlung durchgeführt. In Polen ist Codubix® in Hinsicht auf seine Biokompatibilität und niedrigen Preis am weitesten verbreitet. Bei dieser steifen Wirkware, die bisher nur in einigen Größen und mit aufgezwungenem Krümmungsradius erhältlich war, entscheidet der optimal angepasste Krümmungsradius und das Zuschneiden an den zwischenoperativ festgestellten Defekt über den kosmetischen Effekt [5].

Im Artikel wurde die Vorbereitungsmethode der Prothesen Codubix® auf individuelle Bestellung des Patienten beschrieben, was ihre bessere Anpassung an die Form des Kopfes gegenüber typischen Prothesen ermöglicht.

Material und Methoden

CT

Die erste Etappe der bearbeiteten Prozedur ist die Schädel-CT.

In der dargestellten Arbeit wurde der spirale Mehrreihen-Apparat TK Somatom Sensation 16 verwendet. Es wurden die folgenden Parameter eingesetzt:

Strombedingungen – 120 kV, 74 mA, 100 mAs; Rotationszeit – 0,75 s; Dicke der Schicht – 0,75 mm; Konfiguration der Detektoren – 16 x 0,75 mm; Pitch – 0,55; Marke der Rekonstruktion – 0,5 mm; Kernel – H60s; Knochenfenster.

Bildanalyse und Modellierung

Das Hauptproblem während des Baus des Modells aufgrund der Bilddaten-Analyse ist die Bestimmung der Objekt-Umrandungen. Die Spezifikation der CT verursacht, dass die Objekt-Umrandungen (im erwägten Fall die Umrandungen der Schädelknochen) unscharf sein können, was das Vorhandensein des sog. Phänomens des Teilvolumens verursacht. Das Diagramm der Punkthelligkeit (Luminanz) entlang der vertikalen Linie zeigt, dass die Änderung der Helligkeit auf der Länge von einigen Punkten erfolgt. Es ist also unmöglich, die Lage der Umrandungen eindeutig festzusetzen; alle Methoden für die Festsetzung der Umrandungen sind angenäherte Methoden.

Die am häufigsten eingesetzten Methoden für das Auffinden der Umrandungen basieren auf den Segmentationsmethoden unter Anwendung der Binarisierung, die in der arbiträren Annahme der Luminanzschwelle (Bereich der Einheiten von Hounsfield – für die CT-Bilder) und Bildtransformation mit vielen Helligkeitstönen ins binare Bild (schwarz-weiß), das die Grundlage für das Auffinden der Umrandungen des Objektes mit dem sog. Verschatten ist [6].

Für den Bedarf der beschriebenen Prozedur wurde die Detektion der Umrandungen mit der Methode der maschinellen Beobachtung bearbeitet, die in der Luminanzanalyse entlang der zu den Umrandungen normalen Linien besteht [7, 8, 9, 10]. Es wurde die spezielle Software für die Analyse der tomographischen Bilder und die Generierung der Wolke mit Umrandungspunkten des Objektes (Abb. 1) eingesetzt.

 

Ryc.1. Wykrywanie krawędzi metodą analizy luminancji

Abb. 1. Auffinden der Umrandungen mit der Methode der Luminanzanalyse

Die Punktwolke wird an das System für Computermodellierung gesendet, in dem das virtuelle Modell des Schädels gebildet und dann die Prothese (Abb. 2) sowie die Matrix für ihre Vorbereitung projektiert wird. Die Matrix wird aus der Aluminiumlegierung mit 3-achsigen Fräsen (Abb. 3) ausgeführt.

 

 Modele czaszki oraz wypełnienia ubytku protezą  Modele czaszki oraz wypełnienia ubytku protezą

Abb. 2 Schädelmodelle sowie Defektauffüllung mit der Prothese

 

Prothese Codubix®

Die in der Kranioplastik eingesetzten Prothesen Codubix® verbinden alle besten Eigenschaften der zur Auffüllung der Schädelknochen eingesetzten Biomaterialien ohne ihre negativen, das Risiko der Behandlung erhöhenden Merkmale. Codubix® ist ein medizinisches Produkt der dritten Klasse gemäß der Regel der 8. Europäischen Richtlinie 93/42 EEC. Durch die Verbindung der zur Herstellung anderer bewährter Biomaterialieneingesetzten Technologien kennzeichnen sie sich durch hohe Biokompatibiliät. Sie werden aus nichtresorbierbarem Polyester- und Polypropylengarn (Polyester- (110 DTEX F33) – Polypropylen geflecht (TORLEN 56 DTEX F24) für medizinische Zwecke) mit der Strickmethode ausgeführt. Das nichtresorbierbare Polyestergarn ist verantwortlich für die Festigkeit, sowohl gegen Beugen als auch Druck sowie Porosität. Das Polypropylengarn, das sich durch niedriges Nenngewicht sowie niedrige Schmelztemperatur kennzeichnet, ermöglicht, der Prothese entsprechende Steifigkeit und Härte zugeben.

Sie besitzen eine ausgezeichnete immunologische Charakteristik, niedriges Gewicht, den Knochen ähnliche Wärmeleitfähigkeit, Porosität, Dichte sowie Nullabsorption der hydrophilen Flüssigkeiten (Wasser, Blut, usw.). Unter Einwirkung der Außenkräfte unterliegen sie nicht den mechanischen Beschädigungen (hohe Beständigkeit gegen Beugekräfte) durch die Verformungsfähigkeiten. Sie sind chemisch inaktiv, gegen Wirkung niedriger sowie hoher Temperatur beständig. Trotz großer Porosität sind sie gegen Infektionen beständig, relativ leicht lassen sie sich während der Implantation modellieren und ermöglichen die Diagnostik ohne Artefakte.

Parameter

Einheit

Wert

Flächengewicht

[g/m2]

1900

Beugekraft (Beugebeständigkeit)

[daN]

6-10

Tab. 1. Physische Parameter der Prothesen Codubix®

Codubix® ist ein sehr gutes Material bei der Rekonstruktion der regelmäßigen Defekte der Schädelwölbung. Wenn der Defekt an komplizierteren Stellen, z.B. im Bereich der Augenbrauenbögen auftritt, kommt es zu Problemen – die Anpassung mit gutem kosmetischen Effekt ist dann unmöglich. Deswegen ist nun die Prothese Codubix® auf die individuelle Bestellung (R-O) im Angebot der Firma Tricomed. In individuellen Fällen, wenn die Schädeldefekte im nicht standardmäßigen Platz auftreten, für die es keine typischen konfektionierten Prothesen Codubix® gibt, wird die spezielle Technik eingesetzt, die in der vorherigen Vorbereitung der Form zur Produktion der Prothese besteht.

Gegenanzeigen:

Die Implantation der Prothesen Codubix® wird bei Kindern sowie überall dort kontraindiziert, wo der Prozess des physiologischen Wachstums ihre Anwendung einschränkt.

Die wichtigsten Vorteile der Prothesen Cotubix®:

  • hohe Festigkeit;
  • niedriges spezifisches Gewicht;
  • Hydrophobizität für keine Absorption von Flüssigkeiten sowie Körperflüssigkeiten;
  • Nichttoxizität;
  • keine chemische Aktivität;
  • Gute Einheilung verursacht, dass die Prothese Codubix® hinsichtlich der physischen Eigenschaften mit dem natürlichen Schädelknochen identifiziert werden kann;
  • lässt sich während der Implantation modellieren;
  • ermöglicht Diagnostik ohne Artefakte;
  • niedriger Preis.

Die Krönung der an den Prothesen Codubix® geführten Arbeiten war der Preis für das innovativste Produkt in Polen 2010, der durch das Institut für Ökonomische Wissenschaften an der Polnischen Akademie der Wissenschaften verliehen wird.

 

Ryc.3. Matryca wraz z przygotowaną protezą

Abb. 3 Matrix mit der vorbereiteten Prothese

Resultate

Die Prothese wurde für einen 32-jährigen Kranken vorbereitet, der an einem schweren Schädel-Hirn-Trauma nach einem Verkehrsunfall gelitten hat. Dann in die Klinik im schweren Zustand aufgenommen, intubiert, künstlich beatmet, mit ungleichen Pupillen, mit schwacher Beugereaktion auf Schmerzreize. Die durchgeführte Kopf-CT hat ein akutes Subduralhämatom gezeigt, das eine Verschiebung der intrakraniellen Strukturen verursacht. Der Kranke wurde sofort operiert – gemäß den aktuellen Anweisungen wurde die umfangreiche, plattenweise Öffnung des Schädels durchgeführt. Die Kraniotomie hat das Stirn-, Scheitel- und Schläfenbein umfasst. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf die Entfernung des Bogens des Schläfenbeines und teilweise des Stirnbeines zur Schädelbasis, zur Druckentlastung der Hirnstrukturen, deren Schwellung den Druck auf den oberen Teil des Gehirnstammes ausüben könnte. Breit wurde auch die harte Hirnhaut geöffnet. Nach Beseitigung des Hämatoms und Versorgung der Blutungsstelle wurde die Hirnhaut offen gelassen, um dem Gehirn zusätzlichen Raum zu lassen, dessen Schwellreaktion auf die Verletzung normalerweise bis zu einige Tagen verspätet ist. Nach der Behandlung, nach der Heilungszeit in der Abteilung für Intensive Therapie wurde der Kranke in die Bezirksabteilung für Neurologie entlassen. Die Prüfkontrolle in der Beratungsstelle der Klinik nach 3 Monaten nach der Operation hat große Fortschritte in der Rehabilitation des Kranken gezeigt. Der Kranke war selbstständig, der mündliche Kontakt war durch die Sprachstörungen mit Charakter der Aphasie mit Dominanz der Bewegungskomponente erschwert, er hatte eine geringfügige spastische Teillähmung der rechten Gliedmaßen, mit Dominanz der oberen Gliedmaßen. Der psychische Zustand des Kranken zeigte eine starke Motivation zur weiteren Selbstarbeit. Die lokale Kopfwunde war durch primäre Adhärenz geheilt, die Druckentlastung weich, eingefallen, hat die Form des Schädels beträchtlich deformiert (Abb. 4).Nach der Vorbereitung der Prothese wurde die Behandlung ohne Komplikationen, 6 Monate nach dem Trauma entlang der Spur des vorherigen Schnittes durchgeführt. Die Bearbeitung der Knochenhaut hat das Anbringen von Codubix® am Defektplatz ohne zusätzliche Korrekturen ermöglicht. Die Platte wurde auf 4 Craniofixe befestigt. Im nachoperativen Verlauf wurden keine Komplikationen beobachtet. Das Nahtmaterial wurde am 7. Tag entfernt. Kontrolle in der Beratungsstelle 3 Wochen nach der Behandlung, nach dem Rückgang der Schwellung der Weichteile hatte der Kopf ideale, symmetrische Form.

Ryc.4. Wizualizacja głowy pacjenta przed zabiegiem kranioplastyki

Abb. 4 Visulisierung des Kopfes des Patienten vor der Kranioplastik

Gespräch

Die Qualifikation des Kranken der Implantation der Schädelprothese fand gemäß den allgemeinen Regeln für Planbehandlungen statt. Der Kranke muss die Anforderungen für den sicheren Verlauf der Behandlung unter Vollnarkose erfüllen. Die besondere Aufmerksamkeit lenken wir auf den lokalen Zustand, d.h. die Weise der Wundheilung, den Zustand der Kopfhaut, die Behaarung, den Wölbungs- oder Einfallzustand des Gehirns. Der Verdacht auf Entzündungszustände der operierten Gegend disqualifiziert den Kranken von den chirurgischen Maßnahmen. In Zweifelsfällen scheinen die Übersichtfotos des Schädels für die Bewertung der Knochenstruktur zielgerecht. Die Ausführung der Kontroll-Kopf-CT in der Zeit vor der Operation ist unbedingt notwendig. Die Bewertung der Druckentlastung der daran unmittelbar anliegenden Strukturen hat praktische Bedeutung, z.B.: Feststellung der übermäßigen Ansammlung der Cerebrospinalflüssigkeit unter dem Haut-Eihautlappen oder das unmittelbare Anliegen der porenzephalischen Höhle an den Knochenrand zwingt zur besonderen Vorsicht beim Präparieren der Gewebe in diesem Bereich, um späteren Komplikationen in Form der Liquorrhoe in der Wunde vorzubeugen.

Der Schnitt wird normalerweise entlang der Spur der ursprünglichen Behandlung geführt. Wir vermeiden den Narbenverlauf über Codubix®. Wir präparieren den Haut-Eihaut-Lappen durch die scharfe und stumpfe Separierung von der Knochenhaut. Die Separierung der Knochenhaut, obwohl sie die Möglichkeit der Verdeckung von Codubix® mit einer zusätzlichen Schicht gibt, setzt den Kranken auf die Beschädigung der Spinngewebshaut besonders in Fällen der umfangreichen Knochen-Hirnhaut-Druckentlastungen aus, wo das Gehirn durch die Schicht der harten Hirnhaut nicht geschützt wird. In der Schläfengegend war die sorgfältige und vorsichtige Separation des Schläfenmuskels ein zusätzliches Problem, das die Verdeckung des parabasallen Teiles von Codubix® bei den Schwierigkeiten mit der Befestigung dieses Teiles der Prothese ermöglicht. Die Befestigung an den Knochen wurde bisher mit den Knochennähten durchgeführt, was Bohrungen am Knochenrand erforderlich machte. Dieses Manöver war manchmal schwer (besonders in der Nähe der Schädelbasis) und wurde teilweise durch die Anwendung von Craniofixen eliminiert. Ihre Menge liegt je nach der Spannung des Materials bei der Anpassung der Prothese zwischen 3 und 5. Die Befestigung von Codubix® wird bei der absoluten Hämostase vor der Fläche der harten Hirnhaut, der Knochenhaut oder des supraskleralen Raumes vorgenommen. Die Blutanstauung unter Codubix® kann seine sofortige Entfernung verursachen. Die Wunde wird in zwei Schichten mit Anbringen der Dräne für aktives Saugen unter dem Haut-Eihaut-Lappen bis zu 24 Stunden nach der Operation (Abb. 5) geschlossen.

Ryc.5. Implantacja przygotowanej protezy

Abb. 5 Implantation der vorbereiteten Prothese 

Schlussfolgerungen

Die eingesetzte Methode für die Analyse der Bilddaten hat die Ausführung der Defektmodelle der Schädel mit einer Präzision ermöglicht, die für die Projektierung und Ausführung der Prothese ausreichend ist.

Die in der Praxis eingesetzten CT-Apparate sind das ausreichende Werkzeug zum Generieren der Bilddaten, die durch die Anwendung der spezialisierten Analyse der Bilddaten ermöglichen, das Modell des Knochendefektes des Schädels im System der Computermodellierung auszuführen. Das so erhaltene Modell ermöglicht, die Prothese mit ausreichender Genauigkeit an den konkreten Defekt durchzuführen.

Das verkürzt die Eingriffszeit beträchtlich, ohne dass Codubix® zwischenoperativ angepasst und zugeschnitten werden muss. Dadurch wird das Infektions- und Komplikationsrisiko wegen der Dauer der Vollnarkose reduziert. Die Computeranpassung des Krümmungsradius und die Lieferung der Prothese in der endgültigen Form verbessert den kosmetischen Effekt, was besonders wichtig und bemerkbar in der Stirn- und Stirn-Joch-Schläfengegend ist.

Literatur

  1. Ucar T., Akyuz M., Kazan S., Tuncer R. “Role of decompressive surgery in the management of severe head injuries: prognostic factors and patient selection”. [Die Rolle dekompressiver Eingriffe bei der Behandlung schwerer Kopfverletzungen: Prognostische Faktoren und Patientenauswahl.] In: J Neurotrauma. November 2005, 22 (11). S. 1311-1318.
  2. Piek J. “Decompressive surgery in the treatment of traumatic brain injury.” [Dekompressive Eingriffe bei der Behandlung von Schädel-Hirn-Traumata.] In: Curr Opin Crit Care. April 2002, 8 (2). S. 134-138.
  3. Maas A. I., Dearden M., Teasdale G. M. et al. “EBIC-guidelines for management of severe head injury in adults.” [EBIC-Richtlinien für die Behandlung schwerer Kopfverletzungen bei Erwachsenen.] In: European Brain Injury Consortium. Acta Neurochir. 139 (4). Wien 1997, S. 286-294.
  4. Leonhardt G., Wilhelm H., Doerfler A., Ehrenfeld C. E. et al. “Clinical outcome and neuropsychological deficits after right decompressive hemicraniectomy in MCA infarction.” [Klinische Ergebnisse und neuropsychologische Defizite nach einer rechtsseitigen dekompressiven Hemikraniektomie bei Infarkt der mittleren Zerebralarterie.] In: J Neurol. Oktober 2002, 249 (10). S. 1433-1440.
  5. Chrzan R., Urbanik A., Karbowski K., Moskała M., Polak J., Pyrich M. ”Wytwarzanie modeli medycznych dla potrzeb zabiegu kranioplastyki.” [Erstellung eines medizinischen Modells für Kranioplastik-Behandlungen.] In: IV Krakowskie Warsztaty Inżynierii Medycznej. Kraków 17-18.05.2007. S. 11.
  6. Karbowski K., Urbanik A., Chrzan R. “Measuring methods of objects in CT images.” [Methoden zur Messung von Objekten in CT-Aufnahmen.] In: Pol J Radiol. 2009, 74 (4). S. 64-68.
  7. Karbowski K. ”Podstawy rekonstrukcji elementów maszyn i innych obiektów w procesach wytwarzania.” [Grundlagen für die Rekonstruktion von Maschinenteilen und anderer Gegenstände in Fertigungsprozessen]. In: Monografia 367. Seria Mechanika. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2008.
  8. Chrzan R., Urbanik A., Karbowski K., Moskała M., Polak J., Pyrich M. “Reverse engineering technology in cranioplasty prosthesis manufacturing. European Congress of Radiology, Vienna 2009“ [Reverse-Engineering-Technologie bei der Herstellung von schädelplastischen Prothesen. Europäischer Radiologischer Kongress, Wien 2009.] In: European Radiology 2009. 19 (Beilage 1). S. C-677.
  9. Chrzan R., Urbanik A., Karbowski K., Moskała M, Polak J., Pyrich M. ”Technologia ‘reverse engineering’ w planowaniu protez do kranioplastyki na podstawie badania TK.” [Reverse-Engineering-Technologie beim Entwurf schädelplastischer Prothesen auf Basis von CT-Untersuchungen / Reverse engineering technology in planning of cranioplasty prostheses based on CT examination. 39]. In: Zjazd Polskiego Lekarskiego Towarzystwa Radiologicznego, Szczecin 2010. Polish Journal of Radiology 2010. 75 (Beilage 1). S. 220.
  10. Karbowski K. “Edge detection in reverse engineering system.” [Kantenerkennung in Reverse-Engineering-Systemen.] In: Advances in manufacturing science and technology. Band 34, Nr. 4. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2010 (ISSN 0137-4478). S. 63-72.
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