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University of Basel

Patientenmodelle in 3-D

Marc Zehnder, Ralf Schumacher, J. Thomas Lambrecht

3-D ist auch in der Zahnmedizin auf dem Vormarsch. Mit modernen Verfahren lassen sich zum Beispiel aus dreidimensionalen Röntgendaten individuelle Patientenmodelle herstellen.

Ziel der Bildgebung in Medizin und Zahnmedizin ist es, die «wahre Anatomie» der Patienten abzubilden. Daraus können die Fachleute Hinweise über Erkrankungen gewinnen, um richtige Therapieentscheidungen zu treffen. Die meisten radiologischen Darstellungen in der zahnärztlichen Praxis sind bis heute zweidimensionale Aufnahmen. Die erste dreidimensional-perspektivische Darstellung am Monitor wurde Anfang der 1980er-Jahre auf der Basis zweidimensionaler computertomografischer Schichtaufnahmen realisiert. Die Computertomografie (CT) hat, unter anderem wegen der relativ hohen Strahlenbelastung, in der Zahnmedizin nur einen geringen Stellenwert. Mit der digitalen Volumentomografie (DVT) haben sich nun die Möglichkeiten für dreidimensional- perspektivische Bilder im zahnärztlichen Bereich grundlegend geändert. Die DVT-Aufnahmen für eine Forschungsarbeit, mit dem Gerät 3D Accuitomo der japanischen Firma Morita generiert, basieren auf der Datenakquisition eines konischen Röntgenstrahls und eines auf der Gegenseite befindlichen Sensors, die sich, miteinander gekoppelt, kreisförmig um den Kopf des Patienten bewegen. Dabei registriert der Sensor zahlreiche Einzelbilder aus verschiedenen Richtungen, die dann in Bilddaten aller drei Dimensionen umgerechnet werden. Diese Daten lassen sich anschliessend in sogenannten Schichtbildern am Monitor betrachten. Die Interpretation solcher Röntgenbilder braucht viel Übung und Erfahrung. Das menschliche Gehirn ist von Natur aus gewohnt, dreidimensionale Bilder zu interpretieren. Dieses plastische Sehen hat in der letzten Zeit zu mehreren Entwicklungen geführt – so werden zum Beispiel in den Kinos immer öfters Filme in 3-D gezeigt. In der Medizin werden heute noch dreidimensionale Röntgenbilder (Computer-, Magnetresonanzund digitale Volumentomografie) standardmässig anhand der Schichtbilder zweidimensional interpretiert. Individuelle Patientenmodelle sollen das Verständnis der Anatomie für den Zahnmediziner wie auch den Patienten verbessern.

Technik aus Autoindustrie
Das Ziel ist es, die verschiedenen im Röntgenbild ersichtlichen Strukturen wie Zahn, Nerv und Knochen einzeln darstellen zu können. Diese sogenannte Segmentierung wird vom Computer nicht selbstständig durchgeführt. Die Strukturen werden von den Fachleuten teils von Hand, teils mittels Graustufeneinschränkung voneinander unterschieden, und aus diesen Daten entsteht ein dreidimensional rekonstruiertes, digitales Bild der skelettalen Anatomie eines Patienten. Prof. J. Thomas Lambrecht war der Erste, der in den 1980er- Jahren über individuelle Patientenmodelle mittels computertomografischer Daten publizierte. Dabei wurden die Strukturen aus einem Styrodurblock gefräst. Dieser Prozess der Modellherstellung wird als «Rapid Prototyping» bezeichnet. Die Technik stammt aus der Produktdesignindustrie und fand zunächst vorwiegend in der Automobilindustrie ihre Anwendung. Das in unserer Forschungsarbeit verwendete Gerät, der Objet Eden 330, trägt ähnlich einem Tintenstrahldrucker lokal flüssigen Kunststoff auf. Diese Schicht wird darauf mit Licht ausgehärtet und eine neue, dünne Kunststoffschicht aufgetragen, um anschliessend wieder ausgehärtet zu werden. Individuelle Modelle bieten für die Kommunikation zwischen Arzt und Patient einen grossen Vorteil. Zudem können solche Modelle zur Operationsplanung und -simulation wie auch zur Ausbildung der Studierenden verwendet werden.

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