Modellgebundene Cranioplastie: Operationstechnik zur Umformung frühkindlicher Schädeldeformitäten unter Verwendung dreidimensionaler Standardformmodelle aus MRT-basierten Rekonstruktionen nicht deformierter Kinder

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Erarbeitung und Prüfung einer neuen, modellbasierten OP-Methode zur Behandlung von angeborenen und erworbenen frühkindlichen Schädeldeformitäten auf der Basis von objektiven Daten knochengesunder Kinder. Hierzu wurde zuerst aus einem Überblick von bestehenden Krankheitsbildern und klassischen sowie neueren Ansätzen zur operativen Therapie die Problematik abgeleitet, dass es weder eine objektive Zielform für die frühkindliche Schädelform als Zielfunktion für die operative Behandlung noch eine technische Unterstützung zur regelmäßigen Erlangung der gewünschten Schädelform für den OP gibt. In dieser Studie wurde daher die dreidimensionale Darstellung und statistische Analyse der Schädelformvarianten knochengesunder Kinder im ersten Lebensjahr bewerkstelligt. Die Software Amira ermöglichte erstmals die ausschließliche Verwendung kernspintomographischer Schichtbilder aus anderweitig indizierten Untersuchungen. Die Datensätze wurden mittels semiautomatischer Verfahren dreidimensional rekonstruiert, und mit eigens hierzu entwickelten statistischen Verfahren konnte ein mittleres Schädelformmodell erstellt werden. Zentrales Anliegen der Arbeit war die anschließende prototypische Herstellung eines plastischen Schädelmodells innerhalb des Normkollektivs, individuell angepasst an einen zuvor bestimmten Patienten, um eine Verbesserung und Vereinfachung der operativen Schädelrekonstruktion durch den vorgeschlagenen Lösungsansatz zu demonstrieren. Aus der statistischen Identifikation repräsentativer Formvarianten sowie den individuellen Daten aus der Vermessung des gewählten Patienten wurde ein mittleres Modell individuell angepasst und in Stereolithographietechnik in einen Prototyp aus Acrylharz umgesetzt. Anschließend zeigt die Arbeit auf, dass die operationstechnischen und handwerklichen Anforderungen sowie die generelle Tauglichkeit der modellgebundenen Operationstechnik erfolgreich erprobt werden konnten. In der exemplarischen Erstanwendung wurden die fehlgeformten Kalottenabschnitte des Patienten nach erforderlicher Aufbereitung unter Verwendung des Modells rasch umgeformt, mit vorgeformten resorbierbaren Stabilisierungselementen innenseitig versteift und reimplantiert. Der inspektorische Vergleich des postoperativen Ergebnisses mit dem Kunststoffmodell zeigt eine überzeugende Übereinstimmung. Das Aussehen des Kindes zeigt eine deutliche Verbesserung der fehlgebildeten Kalottenabschnitte. Somit konnte gezeigt werden, dass die beschriebene Nutzung eines Stereolithographiemodells die Erlangung eines vorab festgelegten Operationszieles ermöglicht. Insgesamt ist damit sowohl das Problem der Definition des Formzieles als auch der handwerklichen Umsetzung gelöst. Im Sinne dieser Arbeit konnte die Tauglichkeit und Umsetzbarkeit der operativen Korrektur von frühkindlichen Schädeldeformitäten durch Verwendung von dreidimensionalen Standardformmodellen auf der Basis von Daten normaler , knochengesunder Kinder demonstriert werden.

The goal of this thesis is to develop and validate a new model-based surgical technique for the reconstruction of infantile deformities of the cranial vault based on objective data from healthy infants. First an overview of the different clinical pictures and the surgical therapy approaches is given. It is shown that there is a general lack of objective criteria for the target shape on the one hand and technical aids to reach such a target shape in the surgical procedure on the other hand. This thesis therefore develops a method based on the three dimensional visualization and statistical analysis of the shape variations of the cranial vault for healthy infants of age 0-12 months. The software Amira permits for the first time an analysis solely based on MRI scans. For this thesis MRI data from exams is re-used that were indicated for reasons not related to cranial deformities. The data sets are reconstructed in three dimensions using semi automatic segmentation methods. An average shape model is created using specifically developed statistical methods. One of the main goals of this work is the prototypic creation of a deformable model of the cranial vault, which can be varied within the boundaries of the empirically established standard. Adapted to an individual patient the model serves to improve and simplify the surgical reconstruction of the cranial vault. Based on the selection of representative shapes and individual data obtained from conventional measurements of the individual patient, an adapted model is generated and manufactured using stereolithography. It is then shown, how the proposed model based surgical technique is successfully being applied. In the exemplary first application of the method, a deformed section of the cranial vault is reconstructed, stabilized with absorbable, previously shaped elements on the inner side, and then reimplanted. The comparison of the postoperative results with the model yield a convincing match. The patient's appearance shows a significant improvement of the previously deformed region. It is thus demonstrated, that using a stereolithographic model as suggested by the proposed method, a previously defined target shape can be reached in the surgical procedure. In summary therefore both the problem of defining a target shape as well as surgically implementing it are being addressed. Thus the goal of this thesis to establish a proof of concept for the surgical correction of infantile deformities of the cranial vault using three dimensional standard shape models generated from data of healthy infants has been reached.