Implantologie allgemein

Indizes: 3D-Bildgebung, Digitale Volumentomographie, Bohrschablone, Stereolithografie

3D-Bildgebung in der zahnärztlichen Praxis – Teil 1


Die dreidimensionale Bildgebung hat spätestens seit der starken Verbreitung von "Digitalen Volumentomografen" (DVT) auf breiter Basis Einzug in die zahnärztliche Praxis gehalten. 3D-Bildverwertung kann von der Bilderfassung über die Bildauswertung bis zur Schablonenherstellung in der entsprechend ausgestatteten zahnärztlichen Praxis erfolgen. Die Elemente der gesamten diagnostisch-planerischen Kette angefangen von der Akquisition der 3D-Bildinformation über deren allgemeinen Befundung, ggf. der spezifischen Auswertung, sollten als Gesamtkonstrukt im Kontext der zugrunde liegenden Planungsphilosophie und der beabsichtigten Planungsumsetzung in die OP-Realität betrachtet werden.

Die folgenden Ausführungen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und dienen der Meinungsbildung bzw. Entscheidungsfindung für an der 3D-Bildgebung interessierte Kollegen, deren Tätigkeitsschwerpunkt die zahnärztliche Chirurgie und Implantologie darstellt. Der Autor hat in seiner über 16-jährigen Tätigkeit als Processing- und Imaging-Center für Dental-CTs und DVTs sowie in diversen Studien und Projekten tausende solcher Aufnahmen von vielen Radiologen und Imaging-Center weltweit ausgewertet. Diese Erfahrung erlaubt eine produktübergreifende Beurteilung dessen, was im Bereich der dentalen 3D-Bildgebung möglich ist und welche aktuellen Trends die Szene präg

Emergenz ­ das Gesamte ist mehr als die Summe der Einzelteile

Der erste und wichtigste Rat an den 3D-Interessierten lautet: Nicht auf die Einzelkomponenten schielen, sondern das gesamte Ensemble betrachten! Ein Workflow funktioniert nur dann problemlos, wenn die gewählten Komponenten nahtlos miteinander harmonieren, kommunizieren und es keine Unterbrechungen in der logischen und ergonomischen Kette gibt, die nicht oder nur mit hohem Aufwand überbrückbar sind. Es erscheint sinnvoll, das in der modernen Implantologie wohl bekannte Konzept des "Backward Planning" noch diesseits der konkreten Indikation bzw. Patientenfallplanung zu extendieren (Abb. 1). Konkret bedeutet das, dass man sich nicht nur die Frage stellt: "Welche Voraussetzungen (z. B. Implantate, Augmentate, sonstige präprothetischen Maßnahmen) benötige ich für den geplanten Zahnersatz" sondern noch weiter geht und fragt:

  • "Welche Übertragungstechnik will/kann ich einsetzen?"
  • "Welche Auswertungsmöglichkeiten (Software) will/kann ich dafür einsetzen?"
  • "Welche Anforderungen ergeben sich daraus auf die 3D-Aufnahmeparameter?"
  • "Und welche DVT-Anlage kann diese (und weitere) Anforderungen erfüllen?" (Abb. 2).

  • Abb. 1: Implantologische Konzepte: Backward Planning beschreibt die Planung ausgehend vom angestrebten Endergebnis.
  • Abb. 2: Den Gedanken des Backward Planning kann man noch weiter bis zur Geräteauswahl verfolgen.
  • Abb. 1: Implantologische Konzepte: Backward Planning beschreibt die Planung ausgehend vom angestrebten Endergebnis.
  • Abb. 2: Den Gedanken des Backward Planning kann man noch weiter bis zur Geräteauswahl verfolgen.

Navigationstechniken

Einen wichtigen Aspekt bei der Auswahl des geeigneten 3D-Bildgebungsverfahrens stellt die Berücksichtigung der geplanten Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten dar. Nach erfolgter Implantatplanung und -simulation in einer geeigneten Software sollen die gewonnenen Erkenntnisse und Messungen in die OP-Realität umgesetzt werden. Hierbei stehen unterschiedliche Übertragungstechniken zur Verfügung:

Direkte Navigationstechniken blenden das virtuelle Bild des Instruments in Echtzeit in die 3D-Darstellung des Patienten am Bildschirm ein. Das System überprüft laufend die Position des Patienten relativ zum Instrument, so dass die Darstellung von Patientenanatomie und Instrument relativ zueinander stets korrekt am Bildschirm angezeigt werden. Der Behandler überprüft und korrigiert durch eigene Augen-Hand-Koordination und Feinmotorik die Instrumentenposition, so dass diese der gewünschten Position und Richtung entspricht.

Indirekte Navigationstechniken führen auf mechanischem Weg das Instrument des Operateurs. Die korrekte Position und Richtung des Instruments bzw. Implantats wird im Vorfeld durch geeignete Visualisierungs-, Planungs- und Simulationssoftware ermittelt und in eine Übertragungsschablone überführt. Die Übertragungsschablone erlaubt dem Operateur die mechanische Übertragung und haptische Kontrolle der Planungsergebnisse in die OP-Situation.

Im Allgemeinen erlauben Visualisierungs- und Navigationstechniken dem Operateur einen Soll-Ist-Vergleich von gewünschten Instrumentenpositionen und -richtungen relativ zur Anatomie des Patienten, die durch eine 3D-Bildgebung repräsentiert wird.

  • Abb. 3: 3D-Rekonstruktion aus CT-Daten in SimPlant. Derart hochwertige und
  • Abb. 4: Vorschau einer direkt digitalen Schablone (SurgiGuide) in SimPlant 13 (
  • Abb. 3: 3D-Rekonstruktion aus CT-Daten in SimPlant. Derart hochwertige und "glatte" Oberflächen setzen kontrastreiche und rauscharme Ausgangsaufnahmen, wie sie derzeit nur von CT-Geräten geboten werden, voraus.
  • Abb. 4: Vorschau einer direkt digitalen Schablone (SurgiGuide) in SimPlant 13 ("Crystal").

Schablonentypen

Die im Einzelfall angestrebte bzw. verfügbare Navigationstechnik setzt bestimmte Eigenschaften der zugrunde liegenden 3D-Bildgebung voraus, so dass das Bildgebungsverfahren in Abhängigkeit von der Navigationstechnik ausgewählt und konfiguriert werden sollte. Hierzu ist ein kleiner Exkurs in die Schablonenherstellungsmethoden bzw. die Funktionsweise direkt digitaler Schablonenherstellungstechniken sinnvoll. Wird eine Schablonenbasis unmittelbar aus 3D-Computerdaten generiert, sprechen wir im Folgenden von "direkt digitalen" Schablonentechniken. Entsteht diese hingegen mittelbar anhand eines Abdrucks durch manuelle Modellation auf einem Gipsmodell, bezeichnen wir das als "indirekt digitale" Schablonentechniken (Abb. 3 bis 6). Man stelle sich beispielsweise vor, die Knochenkompakta einer Maxilla bestünde aus kleinen, würfelförmigen Einheiten (genannt "Voxel") einer bestimmten Gewebedichte. In einer idealen 3D-Bildgebung hätten nun alle Voxel, die diese Knochenkompakta repräsentieren, gleiche Grauwerte, z. B. den Grauwert "200". Darüber hinaus hätte kein einziges Voxel, das außerhalb der Maxilla läge, diesen spezifischen Grauwert (Gingiva bzw. Luft der Mundhöhle wären weniger dicht, also dunkler). Die Aufgabe bestehe nun darin, ein dreidimensionales, reelles Objekt herzustellen, das der Form dieser Maxilla exakt entspricht bzw. ein negatives Gegenstück dazu (Schablone), das kongruent auf die Oberfläche dieser Maxilla passt. Diese Aufgabe kann grundsätzlich auf zwei Arten bewältigt werden: Subtraktiv, indem aus einem größeren Objekt (z. B. ein Kunststoffblock) etwas entfernt wird bzw. additiv, indem aus dem "Nichts" etwas aufgetragen wird (z. B. Kunststoff-Tröpfchen, Keramikpartikel, Wachströpfchen). Um mittels einer computergesteuerten Maschine (CAM) aus einem Kunststoff-Block ein Objekt fräsen zu können, dessen Oberfläche genau der des Knochens entspricht, muss die Maschine "wissen", was aus dem vollen Block wegzufräsen und was zu belassen ist. In unserem Beispiel müssten alle Voxel mit "Grauwerten" "dunkler als 200" weggefräst werden, alle Voxel mit Werten von 200 und "heller" müssten stehenbleiben. Die Anweisung an die Maschinensteuerung würde also lauten:

  • Berechne eine 3D-Fläche, die alle Punkte verbindet, deren Grauwert "200" beträgt und die Punkte einschließt, deren Grauwert größer 200 ist.
  • Bewege eine Fräse entlang dieser Oberfläche, so dass alle Punkte, deren Grauwert kleiner 200 ist, aus dem Werkstück entfernt werden.

  • Abb. 5: Direkt digital produziertes stereolithografisches Modell des Unterkiefers mit darauf passenden Übertragungsschablonen (SurgiGuidesTM).
  • Abb. 6: Direkt digitale stereolithografische Schablone (SurgiGuideTM) in situ.
  • Abb. 5: Direkt digital produziertes stereolithografisches Modell des Unterkiefers mit darauf passenden Übertragungsschablonen (SurgiGuidesTM).
  • Abb. 6: Direkt digitale stereolithografische Schablone (SurgiGuideTM) in situ.

Wenn, wie in unserem idealisierten Beispiel, die gesamte Kieferknochen-Oberfläche konstant die gleiche Absorbtionsrate, repräsentiert durch den Grauwert "200" besäße und die DVT-Aufnahme diese auch konstant abbildete, wäre das alles kein Problem. Man könnte direkt aus der digitalen Aufnahme ein passendes 3D-Objekt fräsen und, indem man das Negativ davon berechnet, eine passende Schablonenbasis. Die additive Methode der Stereolithografie (eine von Materialise, dem Hersteller von SimPlant, patentierten Technik) benötigt die gleiche Information. Die verbalisierte Anweisung an eine solche Maschine würde lauten:

  • Trage je ein Kunststoff-Tröpfchen an allen Punkten auf, deren Grauwert größer gleich 200 ist.

Die Voraussetzung ist für beide Methoden die gleiche: Es wird eine eindeutige, vom Anwender festzulegende Grenze benötigt (engl. "Threshold"), die den Übergang zwischen "etwas" und "nichts" definiert. Nun ist es aber leider so, dass in einer DVT-Aufnahme die Zuordnung Materialdichte zu Grauwert über das gesamte Bildvolumen hinweg nicht ausreichend verlässlich ist. Ein und derselben Knochendichte können an unterschiedlichen Positionen im Bildvolumen unterschiedliche Grauwerte entsprechen! Im Gegenzug kann man nicht davon ausgehen, dass sich außerhalb des Knochenvolumens keine Voxel befinden, die durch ihren knochenspezifischen Grauwert Knochen "simulieren". Das bedeutet in der Konsequenz, dass man keinen allgemeingültigen Grenzwert für den Übergang zwischen "etwas" und "nichts" bezogen auf die Materialdichte in einer DVT-Aufnahme definieren kann. Setzt man den Wert z. B. auf "200", weil der Kieferknochen im Frontzahnbereich "200" hat, kann der gleiche Knochen im Seitenzahngebiet "180" haben, im Tuberbereich "160". Eine Fräse, die den "Auftrag" hätte, alles wegzufräsen, was unterhalb "200" liegt, würde den Frontzahnbereich zwar korrekt fräsen, im Seitenzahngebiet jedoch zu viel wegfräsen. Eine knochenbasierte Übertragungsschablone würde auf dem reell existierenden Kieferknochen nicht passen! Daraus kann folgende Konsequenz abgeleitet werden: Eine DVT-Aufnahme von heute auf dem Markt befindlichen Geräten kann nicht zur direkten Herstellung von passgenauen Knochenreplika bzw. darauf basierten Schablonen herangezogen werden.

  • Abb. 7: Vergleich zweier typischer Axialaufnahmen: links DVT mit deutlichem Bildrauschen und wenig Trennschärfe, rechts CT mit wenig Bildrauschen und guter Trennschärfe.
  • Abb. 8: Vom Autor entwickelte, zusammensteckbare Röntgenreferenzröhrchen aus Titan. (Quelle: pst)
  • Abb. 7: Vergleich zweier typischer Axialaufnahmen: links DVT mit deutlichem Bildrauschen und wenig Trennschärfe, rechts CT mit wenig Bildrauschen und guter Trennschärfe.
  • Abb. 8: Vom Autor entwickelte, zusammensteckbare Röntgenreferenzröhrchen aus Titan. (Quelle: pst)

Mögliche Auswege aus dem Dilemma

1. Keine direkte sondern indirekte Schablonentechniken wählen

Ein herkömmliches Gipsmodell verfügt über eine Präzision, die von heute verfügbaren DVT- (und sogar CT-) Aufnahmen bei weitem nicht erreicht werden kann. Wenn also eine Schablonenbasis, sei sie nun gingival, dental oder gingival-dental getragen (knochengetragen scheidet aus offensichtlichen Gründen aus) auf einem Gipsmodell (durch Tiefziehen, Streuen, Anmodellieren einer lichthärtenden Platte) entsteht, ist damit sichergestellt, dass sie auch klinisch am Patienten passt und das mit einem wesentlich geringeren technischen Aufwand (im Eigenlabor).

Fehlt nur noch die Übertragung der aufgrund der Aufnahme geplanten Implantatpositionen auf das Modell bzw. die Schablone. Dies kann mit mehr oder weniger einfachen Mitteln (z. B. mit Geräten wie dem 3D-Finder, CoOrdinator, Schick-Hexapod etc.) geschehen. Zudem reicht die Qualität einer DVT-Aufnahme allemal aus, um die in der Planungsschablone eingebauten Referenzkörper (Abb. 8) zu erkennen und deren räumliche Richtung zu beurteilen. Auch reicht sie aus, um die Führungshülsen einer Übertragungsschablone gemäß den durchgeführten Messungen bzw. der verfolgten Planungsphilosophie korrigieren zu können. Als Referenzkörper kommen verschiedene röntgensichtbare Marker in Frage (z. B. teleskopierende Titanröhrchen, Lego-Bausteine, Guttapercha-Punkte, etc.). Die "Oberflächendaten" des

Knochens müssen bei dieser Technik nicht verlässlich sein, da sie nicht zur Herstellung der Übertragungsschablonenbasis herangezogen werden. Zugegeben, es entbehrt einer gewissen technischen Faszination nicht digitale Daten per E-Mail zu versenden, um einige Tage später eine passende stereolithographische oder gefräste Schablone zu erhalten. Die Passgenauigkeit steht und fällt jedoch ­ wie oben beschrieben ­ mit der Qualität der Bilddaten.

Ein CT/DVT-Bild besteht aus sog. Voxeln, kleinen quaderförmigen Bildeinheiten, die einen bestimmten "Grauwert" haben. Ein bestimmter Grauwert sollte im Idealfall einer und nur einer bestimmten Gewebedichte (z. B. Knochendichte) entsprechen und zwar unabhängig von der Position des betreffenden Voxels innerhalb des Gesamtvolumens der 3D-Bildgebung. Dieser Idealzustand wird leider von heutzutage verfügbaren DVT-Geräten kaum erreicht. Die reduzierte Strahlendosis dieser Geräte bewirkt, dass das Bildrauschen stärker bzw. der Signal-Rausch-Abstand geringer ist (Abb. 7).
2. Das Gipsmodell bzw. die Basis der Scanschablone zusätzlich mit einem optischen 3D-Scanner erfassen

Die aus diesem Datensatz gewonnenen Oberflächendaten werden mit jenen aus dem DVT zusammengeführt, damit daraus eine passende Schablone mit passenden Übertragungshülsen entsteht. Das wiederum bedeutet jedoch, dass entweder ein 3D-Scanner (mit offener Datenschnittstelle und ausreichendem Scanfeld) vorhanden sein oder ein Gipsmodell versandt werden muss und ein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig wird. Diesen Weg wählt Materialise Dental, wenn aus der SimPlantPlanung eine stereolithographische, zahn- bzw. zahnfleischgetragene Schablone (SurgiGuide) erstellt werden soll. Sirona propagiert mit deren Galileos-System auch ein Schablonensystem, das ebenfalls nach diesem Prinzip funktioniert. Der zweite Scan kann statt optisch ebenfalls röntgenologisch entstehen. Die Scanschablone wird auf einem passenden Gipsmodell hergestellt. Dann wird sie einmal "im Patienten" und anschließend noch einmal separat im gleichen DVT-Gerät gescannt (sog. DualScan-Protokoll). Anschließend werden mittels geeigneter Software mathematisch die beiden Volumina voneinander subtrahiert (Patient mit Scanschablone minus Scanschablone = Patient), so dass in der Software erkennbar ist, wo das Gewebe (Zahn bzw. Gingiva) endet bzw. die Schablone beginnt. Damit kann die Schablonenfläche berechnet und als Stereolithografie-Auftrag bearbeitet werden. Die erhaltene Übertragungsschablonenbasis ist letztendlich ein stereolithografisches Duplikat der Scanschablonenbasis. Diesen Weg wählt z. B. Nobel Biocare für deren BioGuides, er ist aber auch als Option im SimPlant-Verfahren verfügbar.

3. Direkte Navigationstechniken verwenden, die nicht auf Übertragungsschablonen, sondern auf die Echtzeit-Einblendung der Instrumentenposition in den 3D-Datensatz der DVT-Bildgebung basieren.

Den Fragebogen zur interaktiven Fortbildung finden Sie hier!

Im zweiten Teil lesen Sie mehr über verschiedene Planungsphilosophien und deren Auswirkungen, Geräteeigenschaften, strahlenhygienische Aspekte und vieles mehr.


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Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Dr. Elmar Frank

Bilder soweit nicht anders deklariert: Dr. Elmar Frank




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