cameissn Computer Aided Medical Engineering

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1 Jahrgang cameissn M. Meingast, M. Eder, A. Volf, S. Raith, C. Müller, F. Gottinger, N. Günther, J. Mitternacht, R. Burgkart, L. Kovacs Finite Elemente Simulation der Weichteildeformation zur Optimierung der Prothesenschaftkonstruktion bei Oberschenkelamputationen: eine Machbarkeitsstudie Leseprobe A. Nolte Berechnung der Muskelund Gelenkkräfte in der Schulter mit dem AnyBody Modeling System P. Juergens, J. Beinemann, M. Reyes, C. Kunz, K. Schwenzer-Zimmerer, H.- F. Zeilhofer Moderne 3D-Planungsund Positionierungsverfahren in der klinischen Routine

2 Inhalt Aboservice/Veröffentlichungen News Impressum M. Meingast, M. Eder, A. Volf, S. Raith, C. Müller, F. Gottinger, N. Günther, J. Mitternacht, R. Burgkart, L. Kovacs Finite Elemente Simulation der Weichteildeformation zur Optimierung der Prothesenschaftkonstruktion bei Oberschenkelamputationen: eine Machbarkeitsstudie 7 K.-M. Schebesch, C. Doenitz, R. Zoephel, A. Brawanski Computational Fluid Dynamics (CFD) und Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) Flusssimulation in Aneurysmen des Gehirns 12 A. Nolte Berechnung der Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter mit dem AnyBody Modeling System 17 P. Juergens, J. Beinemann, M. Reyes, C. Kunz, K. Schwenzer-Zimmerer, H.- F. Zeilhofer Moderne 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren in der klinischen Routine 22 F. Storek, S. Döbele, C. Müller, M. Eder, S. Raith, D. Haller, G. Herndl, U. Stöckle Monokortikale oder bikortikale Verschraubung: FEM-Simulation der inter fragmentären Bewegung bei der Frakturversorgung mit winkelstabilen Platten 29 Serie FEM für Mediziner und Biomechaniker Veranstaltungen Vorschau Titel Entwurf und Gestaltung: Ludwig-Kirn Layout, Ludwigsburg Bild: Prothesenschaft, Druckspannungsvergleich zwischen Simulation und Messung. Von Dipl.-Ing. (FH) Markus Meingast 2. Jahrgang

3 News CAPS beteiligt sich an Entdeckungen 2011: Gesundheit Auf der Insel Mainau findet vom 20. Mai bis 4. September 2011 die interaktive Ausstellung Entdeckungen 2011: Gesundheit statt, die für alle Altersgruppen geeignet ist. Sie zeigt unter anderem, welche Erfolge es bei der Prävention und Behandlung der Volkskrankheit Diabetes gibt, wie vielseitig die moderne Biotechnologie eingesetzt werden kann und weshalb Sport und gesunde Ernährung noch immer die effektivsten Präventionsmaßnahmen sind. 18 Pavillons, eine Info-Tour und eine Kunstinstallation wecken den Forschergeist und Wissensdrang von Besuchern mit Exponaten zum Ausprobieren und Aktionen zum Mitmachen. Auf verständliche und spielerische Weise vermitteln die verschiedenen Beiträge der Ausstellung einen Eindruck von der Innovationskraft der Gesundheitsforschung. Im Bereich der angewandten interdisziplinären Forschung präsentiert CAPS das Austellungsthema Ingenieurwesen trifft Medizin. Die Forschungsgruppe CAPS (Computer Aided Plastic Surgery) von der Klinik für Plastische Chirurgie und Handchirurgie des Klinikums rechts der Isar und der Fakultät für Medizin der Technischen Universität München hat es sich als Ziel gesetzt, Erkenntnisse aus der interdisziplinären Zusammenarbeit der Ingenieurwissenschaften, Mathematik, Physik, Informatik, Biomechanik, Computertechnologie und anderer medizinischer Fachgebiete zu nutzen, um komplexe, fachübergreifende medizinische Fragestellungen zu lösen. In einem Netzwerk verschiedener Forschungseinrichtungen und enger Partnerschaft mit High-Tech-Unternehmen werden diese innovativen Technologien zur 3D-Erfassung, Digitalisierung, Visualisierung und Simulation des menschlichen Körpers an die Bedürfnisse der Medizin angepasst. Veranstalter der Ausstellung Entdeckungen 2011: Gesundheit ist die Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertreffen am Bodensee, die vom 26. Juni bis 1. Juli 2011 in Lindau die 61. Tagung der Nobelpreisträger als interdisziplinäre Veranstaltung der Fächer Physiologie und Medizin organisiert. Zu dieser Veranstaltung werden rund 25 Nobelpreisträger und über 500 Nachwuchswissenschaftler erwartet. Forumsdiskussionen, Vorträge, Seminare und informelle Zusammenkünfte bieten Gelegenheit für einen Austausch zwischen Die came-konferenz bietet umfangreiche Informationen und vielfältige Mögden Nobelpreisträgern und der zukünftigen wissenschaftlich-akademischen Elite. Weitere Informationen finden Sie unter folgenden Internet-Adressen: came-konferenz: FEM-Simulation in Medizin und Biomechanik Eingebunden in die Veranstaltung AN- SYS Conference & 29. CADFEM Users Meeting 2011, die vom 19. bis 21. Oktober 2011 im ICS Internationales Congresscenter Stuttgart durchgeführt wird, findet die came-konferenz statt. Am ersten Tag, Mittwoch 19. Oktober, wird an einem Beispiel der gesamten Workflow von CT/MRT-Daten bis zur Erstellung eines FEM-Modelles gezeigt. Am Donnerstag präsentieren Anwender in Vorträgen ihre Erfahrungen beim FEM- Einsatz. Unter anderem werden Themen aus der Unfallchirurgie/Orthopädie, Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie, Gefäßchirurgie und plastischen Chirurgie behandelt. Am Freitag lernen Nicht-Techniker in einem kleinen Workshop, wie eine FEM-Simulation durchgeführt wird. Veranstaltungsteilnehmer, die ausschließlich die came-konferenz besuchen wollen, erhalten einen Biomechanik-Pass mit Sonderkonditionen. Wir erwarten, dass wir 8 Fortbildungspunkte für Ärzte vergeben werden können Jahrgang

4 News lichkeiten zum Erfahrungsaustausch. Weitere Details und ein Anmeldeformular sind auf der Website zu finden. CADFEM GmbH Marktplatz Grafing bei München Tel.: info@cadfem.de Internet: Neue Vertiefungsrichtung Biomechanik an der Hochschule Ulm Die Hochschule Ulm, 1960 als staatliche Ingenieursschule gegründet, bildet zur Zeit ca Studierende in verschiedenen Ingenieursdisziplinen aus. Neben den klassischen Studiengängen Maschinenbau und Elektrotechnik wird am Campus Albert-Einstein-Allee der Studiengang Medizintechnik angeboten, welchen die Hochschule Ulm bereits 1988 in die Lehrlandschaft Deutschland einführte. Zusätzlich zum Studienabschluss Bachelor of Engineering (B. Eng.) wird ein konsekutiver Masterstudiengang Medizintechnik mit Abschluss zum Master of Engineering (M. Eng) angeboten. Ab dem Wintersemester 2011/2012 wird im Studiengang Medizintechnik die Vertiefungsrichtung Biomechanik angeboten werden. Studierende erhalten eine fundierte Ausbildung unter anderem in den Fachgebieten der höheren Technischer Mechanik, der Biomechanik und der Simulation. Technisch unterstützt wird die Ausbildung beispielsweise durch die Firmen CAD- FEM und Zwick Roell. Der Bereich Drittmittelforschung ist stetig wachsend. Im Jahr 2010 warb die Fakultät Mechatronik und Medizintechnik etwa ein Drittel der gesamten Drittmittel in Höhe von rund 1,6 Mio. ein, wovon ca durch den Bereich Medizintechnik beziehungsweise ca durch den Bereich Biomechanik eingeworben wurden. Ansprechpartner: Prof. Dr. Felix Capanni Prodekan der Fakultät Mechatronik & Medizintechnik Labor für Biomechanik und Produktentwicklung capanni@hs-ulm.de Prof. Dr. Thomas Engleder Simulation in Mechatronik und Medizintechnik engleder@hs-ulm.de Das Studium der Biomechanik vermittelt vielfältige Kenntnisse: links eine Tibia-Knochenplatte im 4-Punkt-Biegtest nach ASTM F 382, rechts der Prototyp eines telemetrischen Knochenimplantats. 2. Jahrgang

5 Moderne 3D-Planungsund Positionierungsverfahren in der klinischen Routine von P. Juergens, J. Beinemann, M. Reyes, C. Kunz, K. Schwenzer-Zimmerer, H.-F. Zeilhofer* * Prof. Dr. Dr. Hans-Florian Zeilhofer Dr. Dr. Philipp Juergens Dr. Joerg Beinemann PD Dr. Dr. Christoph Kunz PD Dr. Dr. Katja Schwenzer-Zimmerer Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Universitätsspital Basel und Hightech-Forschungs-Zentrum (HFZ) der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie Universität Basel, 4031 Basel, Schweiz Dr. Mauricio Reyes Institute for Surgical Technology and Biomechanics (ISTB), Universität Bern, 3014 Bern, Schweiz Kurzfassung Operative Eingriffe zur Verlagerung von Ober- und Unterkiefer haben sich in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (MKG-Chirurgie) als hoch elektive Standardeingriffe etabliert. In vielen Zentren wird hierbei die 3D-Planung mit virtueller Weichgewebesimulation als Routineverfahren genutzt. Trotz Anwendung dieser modernen Methoden erfolgt der Transfer der Planungen immer noch mit der traditionellen Methode über Kunststoffschienen, die zwischen den Zähnen angebracht werden und so die Relation von Ober- zu Unterkiefer in der Horizontalen und Vertikalen recht genau definieren. Diese Methode hat sich seit etwa 40 Jahren kaum verändert. Die Anforderung an neue Systeme besteht also in erster Linie darin, eine echte dreidimensionale Kontrolle der Position des Oberkiefers zur Schädelbasis zu ermöglichen. Ein vielversprechender Lösungsansatz kann hierbei die Verwendung eines 3D-Echtzeit-Navigatios sys - tems sein. Das in diesem Artikel vorgestellte System wurde im Rahmen des Schweizer Nationalfonds-Projektes CoMe (National Center of Competence in Research for Computer Aided and Image Guided Medical Intervention NCCR CoMe) entwickelt, unter Laborbedingungen für die Anwendung in der Dysgnathiechirurgie validiert und im OP-Umfeld routinemäßig angewandt. Schlüsselwörter Dysgnathiechirurgie, Virtuelle OP-Planung, computer-assistierte Chirurgie, 3D Echtzeit Navigation 1 Einleitung Bissstörungen können entweder durch eine falsche Position der Zähne im Kieferknochen, oder durch eine Fehlstellung der Abstract Surgeries intending to reposition upper and lower jaw in patients suffering from dysgnathia and malocclusion are common and well established, but highly elective interventions. 3D virtual planning for this kind of procedures was recently introduc ed in the clinical routine of modern craniomaxillofacial (CMF) surgery. Nevertheless the transfer of the planning data into the surgical procedure is usually realized with occlusal wavers, like it has been done since 40 years. This technique allows a very precise control of the position of the jaws to each other in the sagittal and transversal dimension. New systems have to be implemented to guarantee a real three-dimensional control of the planned bone fragment position especially the relation between Kieferknochen selbst bedingt sein. Während sich erstere durch eine alleinige kieferorthopädische Therapie behandeln lassen, können bei Patienten, bei denen ein Missverhältnis der Kieferknochen zueinander und zur Schädelbasis vorliegt, nur durch operative Maßnahmen zufriedenstellende Behandlungsergebnisse erzielt werden. Die chirurgische Umstellung der Kieferknochen wird als Dysgnathiechirurgie bezeichnet (Bild 1) [1-3]. Da Dysgnathiechirurgie eine hoch elektive Chirurgie ist, gehört eine umfangreiche und verlässliche präoperative Planung hier zum absoluten Muss. Die OP-Technik, Oberund Unterkiefer simultan zu versetzen, und damit auch ästhetische Aspekte zu berück- maxilla and skull base. A high accuracy promising solution is a real-time 3D navigational system, enabling an interactive visual control during the reposition ing process. In this study the validation of the system for the use in orthognatic surgery is presented and first clinical experiences are reported. As a primary approach the system was tested in a laboratory environment and in a second step it was serving as an additional control tool to evaluate maxillary positional accuracy during orthognathic surgery in a small series of patients. Keywords dysgnathia surgery, 3D virtual planning, computer-assisted surgery, real-time 3D navigation Jahrgang

6 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren Bild 1: Klassifikation der verschiedenen Malokklusionen nach Angle: Klasse I Normokklusion (Mitte), Klasse II (Links) und Klasse III (Rechts). sichtigen, wurde erstmals 1970 von H. Obwegeser beschrieben [4]. Die Planung der Eingriffe erfolgt üblicherweise anhand von seitlichen Röntgenbildern des Schädels (Kephalometrische Aufnahme) und Gipsmodellen der Zähne. Erst vor kurzem wurden verschiedene Systeme zur virtuellen dreidimensionalen Planung anhand von Volumendatensätzen vorgestellt, die in einigen wenigen Zentren in der klinischen Routine zum Einsatz kommen und dabei die konventionelle Planung ablösen. Diese neuen Systeme haben insbesondere den Vorteil, dass sie eine bessere Weichgewebsvorhersage erlauben als [5-11]. Im Gegensatz zur raschen Entwicklung im Bereich der Planungsverfahren, blieb die Technik zum Transfer der Planungsdaten ins OP-Umfeld unverändert: die Herstellung der Kunststoffschienen (Splint) zur Positionierung der Kiefer zueinander wurde einzig durch die Anwendung von RM-Verfahren (Rapid Manufacturing) modernisiert [12]. Durch diese Übertragungstechnik wird aber einer der wichtigsten Punkte für Funktion und Ästhetik die Positionierung des Oberkiefers im Verhältnis zur Schädelbasis weiterhin nicht ausreichend kontrolliert. Die Nutzung von Navigationssystemen zur Positionskontrolle während chirurgischer Eingriffe ist eine weit verbreitete Methode und kann auch genutzt werden, um Planungsdaten ins OP-Umfeld zu übertragen. Erste Versuche diese Technologie auch in Kombination mit AR-Verfahren (Augmented Reality) in der MKG-Chirurgie zu etablieren, wurden bereits in den 1990er Jahren unternommen. Allerdings blieben diese Systeme Sonderfällen vorbehalten und fanden keinen Eingang in die klinische Routine [13-15]. Heutzutage ist eine Vielzahl kommerzieller Navigationssysteme verfügbar, typischerweise ist mit diesen Systemen aber nur eine Zeigefunktion ausführbar: nach einer Neu-Positionierung und Fixierung von Knochensegmenten lässt sich die Stellung überprüfen, während die Relokationsbewegung unkontrolliert bleibt [16-18]. Außerdem verfügen die Navigationssysteme nicht über gute Planungsmodule mit der Möglichkeit eine Weichgewebsvorhersage. Ein Arbeitsablauf (Workflow), der die Planung mit einer guten Planungsplattform und die anschließende Navigation mit einem kommerziellen System vorsieht, verbietet sich ebenfalls, da die verschiedenen Datenformate einen Transfer von einem System in ein anderes nicht erlauben. Ein Lösungsansatz könnte die Verwendung eines 3D- Navigationssystems sein, das den Relokationsprozess graphisch in Echtzeit darstellen kann. Ein solches System ist verfügbar, wurde bislang allerdings nur unter Laborbedingungen genutzt [19]. In dieser Arbeit berichten wir von der Evaluation dieses Prototypen für die Nutzung in der orthognathen Chirurgie. Hier wird ein vollständiger Workflow präsentiert, in dem die gesamte Prozesskette von der Planung mit einem kommerziellen Softwarepaket, die Weichgebesimulation und dann die intraoperative Navigation mit dem 3D-Echtzeit-Navigationssystem abgebildet wird. 2 Material und Methode Laborvalidierung Um das System für den Einsatz im OP zu validieren, wurde eine Phantom-Schädel- Modell (Synbone Skull hollow Mandible 8501, Synbone AG, Malans, Switzerland) mit leicht identifizierbaren Bohrungen und Fixationsschrauben ausgestattet. Damit konnte über die artifiziellen Landmarken einerseits eine präzise und reproduzierbare Punk-zu-Punkt-Registrierung realisiert und andererseits auch während einer Verlagerungsbewegung des Oberkiefers die Position exakt kontrolliert werden. Nach Durchführung eines Osteotomie in der Le- Fort I Ebene wurde das Modell mit zwei Distraktionsgeräten (MDO 1.5, Medartis, Basel, Switzerland) ausgestattet, über die sich eine metrisch kontrollierbare Vorwärtsbewegung des Oberkiefers vornehmen lässt (Bild 2). Danach wurden CT-Scans (GE Medical Systems Light Speed VCT, slice distance: 0.4 mm, slice thickness: mm) des Schädelphantoms angefertigt mit mehreren schrittweise durchgeführten Vorschubpositionen (0, 3, 5, 8 und 12 mm) des Oberkiefers. Die so gewonnenen Volumendatensätze dienten dann, nach Umwandlung in virtuelle 3D-Modelle sowohl als Planungsdaten (Position 0 mm) als auch als Zieldatensätze (Position 3, 5, 8 und 12 mm) für das Navigationssystem. Die Modellgenerierung erfolgt mit kommerziellen Softwarepaketen (Surgicase 5.0, Mimics 12.0; Materialise NV, Leuven, Belgium). Nach Schwellenwert-basierter Segmentierung wurden die 3D-Modelle über den nicht bewegten Anteil registriert und dann im STL-Format in das Navigationssystem importiert. Der Prototyp des Navigationssystems basiert auf einem Software Modul (Linux based CMFapp-Marvin-platform, ISTB / artorg-center, University of Bern, Bern, Switzerland) das auf einem Laptop PC (Hewlett Packard, HP-Compaq Mobile Workstation 8710w, USA) mit guter Graphikkartenausstattung läuft (NVIDIA Quadro FX-350-M, NVIDIA Corp., Santa Clara, CA, USA), der über einen seriellen Anschluss mit einem kommerziellen Infrarot-Tracking-System (Polaris, Northern Digital Inc., Waterloo, Canada) verbunden ist. Das System kann Position und Orientierung anatomischer Strukturen und chirurgischer Instrumente nach Registrierung über passive Marker (HFZ, University of Basel, Basel and ISTB / artorg-center, University of Bern, Bern, Switzerland) detektieren und graphisch Bild 2: Phantomschädelmodell nach Le-Fort I Osteotomie mit Landmarkenbohrungen (schwarzer Pfeil), Distraktoren (*) und passiven Markern für die unbewegten (a) bewegten (b) Knochensegmente. 2. Jahrgang

7 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren dreidimensional darstellen. Die Ortsgenauigkeit des Systems (Bild 3) beträgt 0,35 mm RMSE (root mean squared error). Im Laboraufbau erfolgte zunächst die Untersuchung der Genauigkeit des Registrierungsprozesses. Hierzu wurde der Punkt-zu-Punkt-Registrierungsprozess über sechs Landmarken von vier in navigierter Chirurgie erfahrenen Chirurgen je dreimal durchgeführt. Um die Systemgenauigkeit als solche zu untersuchen, wurde der bewegliche Oberkiefer schrittweise nach vorn verlagert und bei den Punkten 3, 5, 8 und 12 mm durch Überlagerung mit den aus dem CT generierten Zieldatensätzen überprüft (Bild 4). Zusätzlich wurden spezifische Landmarken auf dem bewegten Anteil mit dem Point angezeigt. Auch diesen Vorgang wiederholten die vier prüfenden Chirurgen dreimal. Intraoperative Anwendung Um die Anwendbarkeit im klinischen Einsatz zu überprüfen, wurde das System bei neun Patienten intraoperativ eingesetzt, Bild 3: Aufbau des Naivgationssystems: Infrarot tracking Kamera (a), Kamerawagen (b), Laptop PC (c). die sich einer Dysgnathieoperation unterziehen mussten. Bei allen Patienten wurde als vorbereitenden Maßnahme eine Dünnschicht Computertomographie (Siemens, Sensation 64: slice thickness 1.0 mm / slice distance 0.5 mm) des Schädels und der Gesichtsweichteile durchgeführt, auf deren Basis eine virtuelle Operationsplanung mit Weichgewebesimulation erfolgte (Surgicase 5.0, Mimics 12.0, Materialise NV, Leuven, Belgium). Alle relevanten 3D-Modelle (Schädel, Oberkiefer in Ausgangs- und Zielposition, Zahntragender Anteil des Unterkiefers in Ausgangs- und Zielposition sowie der rechte und linke Gelenkfortsatz des Unterkiefers) wurden im STL- Format in das Navigationssystem importiert (Bild 5). Die passiven Marker zur Detektion des nicht beweglichen Teiles wurden direkt am Schädel fixiert und die Marker für die Erkennung des beweglichen Fragmentes (Oberkiefer) über ein spezielles Adapter-System am Splint befestigt (Bild 6). Nach Durchführung des Punkt-zu-Punkt-Registrierungsprozesses kombiniert mit einer Oberflächenregistrierung (Bild 7) erfolgte die Osteotomie in der Le-fort I Ebene. Die Positionierung des Oberkiefers wurde visuell auf dem Bildschirm kontrolliert und so lange verbessert, bis eine optimale Überlagerung mit der Zielposition erreicht war (Bild 8). Anschließend erfolgte die Osteosynthese in typischer Art und Weise (Bild 9). 3 Ergebnisse Laborvalidierung Bild 4: Spitze des Pointers an einer Landmarke (a), korrespondierender Screen - shot (b). Der durchschnittliche mittlere Fehler (RSME) des Registrierungsprozesses betrug 0,66 mm (min. 0,4 mm; max. 0,9 mm) Die genau Auswertung in Abhängigkeit des Untersuchers ist in Tabelle 1 dargestellt. Bei der Auswertung der Systemge- Bild 5: Virtuelles 3D-Modell eines Patienten mit Kieferfehlstellung (a). Virtuelle OP-Planung (Surgicase 5.0, Materialise NV, Leuven, Belgium) (b) Jahrgang

8 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren Bild 6: Tracking des beweglichen Teils (Oberkiefer) mit passiven Markern, die über einen Spezialadapter mit dem Splint (links) verbunden sind. Die Marker können vom Splint abgenommen und wieder angesteckt werden, ohne dass die Registrierung wiederholt werden muss. Auf diese Weise wird der Ablauf des Eingriffs nicht durch Tools des Navigationssystems behindert (rechts). Bild 7: Screenshot der Punkt-zu-Punkt-Registrierung. Bild 8: Screenshot der 3D-Ansicht während der Navigation: der bewegliche Oberkiefer ist violett dargestellt, die Zielposition grün. Bild 9: Typische Osteosynthese des Oberkiefers nach Erreichen der Zielpo - sition. Tabelle 1 (unten): Resultate der Evalu - ation des Registrierungsprozesses vier Chirurgen haben je dreimal den Registrierungsprozess durchgeführt. Dabei konnte eine durchschnittliche Genauigkeit von 0,66mm RMSE (min. 0,4 mm; max. 0,9 mm, Standardabweichung 0,12) erzielt werden. 2. Jahrgang

9 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren nauigkeit durch die Überlagerung von Ist- und Soll- Position sowie durch das Anzeigen von leicht identifizierbaren Landmarken zeigte sich durchgehend eine sehr hohe Korrespondenz von Zwischen aktueller Position (ist) und den Planungsdaten (soll), die von den jeweiligen Testern und dem Ausmaß der Vorverlagerung unabhängig war. Intraoperative Anwendung Die Auswertung des Einsatzes des Prototypensystems erbracht sehr vielversprechende Resultate: die im Laborsetup erzielte hohe Registrierungsgenauigkeit konnte im Einsatz im OP-Umfeld reproduziert und bestätigt werden. Dabei gelang es sogar, diese Genauigkeit durch eine zusätzliche Oberflächenregistrierung noch zu verbessern. Außerdem konnte durch die Implementierung eines Algorithmus für die synchrone Registrierung von fixiertem und beweglichem Knochensegment die Zeit für den Registrierungsprozess von durchschnittlich 14 min (n = 5) auf 8 min (n = 4) reduziert werden. Während der neun operativen Eingriffe, die mithilfe des Navigationssystems durchgeführt wurden, ist es in keinem Fall zu einem Systemversage gekommen (Tabelle 2). In einem Fall konnte eine quantitative Analyse der Abweichung zwischen Planung und OP-Ergebnis anhand von CT- Daten vorgenommen werden. Hierzu wurde der postoperative Datensatz über die Schädelbasis registriert und Planungsdaten mit dem postoperativen Datensatz überlagert. Die quantitative Analyse der Abweichung erfolgte Softwaregestützt (3- smatic 5.0, Materialise NV, Leuven, Belgium) und erbrachte einen durchschnittlichen Fehler von 0,18 mm (Q1 = mm; Q3 = mm) (Bild 10). 4 Diskussion Der entwickelte Workflow erlaubt erstmals die Koppelung moderner 3D-Planungsverfahren inklusive Weichgewebsvorhersage auf Basis von Volumendaten mit hoch genauer Überprüfung der Umsetzung des chirurgischen Planes während der Operation durch ein Echtzeit-Navigationssystem. Dabei konnte gezeigt werden, dass das vorgestellte System über eine hervorragende Anwendbarkeit und eine sehr gute Stabilität verfügt und problemlos im OP- Umfeld einsetzbar ist. Die besondere Anwendung bei der Positionierung des Oberkiefers im Rahmen von Dysgnathieeingriffen löst dabei ein evidentes Problem, für das es bisher keine zufriedenstellende Lösung gab, so dass nun die korrekte Fixierung des Oberkiefers im Verhältnis zur Schädelbasis unter Kontrolle der sagittalen, axialen und coronaren Dimension möglich ist. Über die routinemäßige Anwendung von Software-Modulen zur Planung von Dysgnathieoperationen wurde wiederholt berichtet [20, 21]. Eine verlässliche Vorhersage des Operationsergebnisses kann aber präoperativ nur dann gemacht werden, wenn die intraoperative Umsetzung der Operationsplanung auch wirklich sicher Tabelle 2: Aufstellung der behandelten Patienten. Die Umstellung des Oberkiefers wird in allen Raumdimensionen angegeben. Durch die Implementierung eines Algorithmus zur synchronen Registrierung von fixem und mobilem Knochensegment konnte die Registrierdauer deutlich gesenkt werden Jahrgang

10 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren Literatur [1] Hopkin GB: The growth factor in the prognosis of treated cases of Angle Class 3 malocclusion. Rep Congr Eur Orthod Soc 1965;41:353. [2] Downs WB: Variations in facial relationships; their significance in treatment and prognosis. Am J Orthod 1948;34:812. [3] Barich FT: Class II, Division 2 (Angle) malocclusion; report of a case. Am J Orthod 1951;37:294. [4] Obwegeser H: [The one time forward movement of the maxilla and backward movement of the mandible for the correction of extreme prognathism]. SSO Schweiz Monatsschr Zahnheilkd 1970;80:547. [5] Bianchi A, Muyldermans L, Di Martino M et al.: Facial soft tissue esthetic predictions: validation in craniomaxillofacial surgery with cone beam computed tomography data. J Oral Maxillofac Surg;68:1471. Bild 10: Klinisches Beispiel eines 19-jährigen Patienten mit einer Klasse-III-Fehlstellung mit Laterognathie nach links: präoperativ (a), Weichgewebesimulation (Surgicase 5.0, Materialise NV, Leuven, Belgium) (b), postoperative Situation (c), Überlagerung von OP-Planung und postoperativem Datensatz. Durchschnittlicher Fehler: mm (d). [6] Westermark A, Zachow S, Eppley BL: Threedimensional osteotomy planning in maxillofacial surgery including soft tissue prediction. J Craniofac Surg 2005;16:100. [7] Nkenke E, Zachow S, Benz M et al.: Fusion of computed tomography data and optical 3D images of the dentition for streak artefact correction in the simulation of orthognathic surgery. Dentomaxillofac Radiol 2004;33:226. gestellt ist, wobei folgenden Punkten eine ganz besondere Bedeutung zu Teil wird: die richtige Relation und Orientation der Kiefer zueinander [20], die korrekte Positionierung des Gelenkfortsatzes in der Gelenkpfanne des Kiefergelenkes [22, 23] und die Position des Oberkiefers im Verhältnis zum übrigen Viszerokranium und der Schädelbasis [24]. Die Kieferrelation zu einander wird wie beschrieben über Splinte sichergestellt. Für die Positionierung der Gelenke kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, wobei das Spektrum von temporärer Fixierung über Hilfsplatten bis zur intraoperativen Sonographie reicht. Für die Kontrolle der Oberkieferposition wurden bisher keine technischen Hilfsmittel in die klinische Routine eingeführt. Das einzig verfügbare System ist ein analoges Gerät, über das die neue Position der Frontzähne festgelegt werden kann, welches aber keine echte dreidimensionale Kontrolle erlaubt [24]. Mit dem vorgestellten Workflow ist es nun also möglich, die gesamt Prozesskette von der Bilddaten-Akquise über die OP-Simulation bis zur intraoperativen Navigation mit echter dreidimensionaler Kontrolle der bewegten Knochensegmente abzubilden. Das System erlaubt eine verlässliche Überprüfung mit sehr großer Genauigkeit, ohne den chirurgischen Ablauf in nennenswerter Weise zu verzögern. 5 Zusammenfassung Mit der vorgestellten Arbeit konnte das erfolgreiche Zusammenspiel zwischen kommerzieller Planungssoftware und einem Prototypen zur intraoperativen Echtzeit Navigation exemplarisch am Beispiel der Dysgnathiechirurgie dargestellt werden. Unsere Erfahrung zeigt, dass durch die Verwendung des Systems die Operationszeit nicht verlängert wird und gleichzeitig eine sehr hohe Genauigkeit bei der Umsetzung der OP-Planung erzielt werden kann. Acknowledgement This work was supported by the National Center of Competence in Research, Computer Aided and Image Guided Medical Interventions (NCCR CO-ME) of the Swiss National Science Foundation, Berne, Switzerland. [8] Troulis MJ, Everett P, Seldin EB et al.: Development of a three-dimensional treatment planning system based on computed tomographic data. Int J Oral Maxillofac Surg 2002;31:349. [9] Xia J, Ip HH, Samman N et al.: Three-dimensional virtual-reality surgical planning and softtissue prediction for orthognathic surgery. IEEE Trans Inf Technol Biomed 2001;5:97. [10] Kim H, Jurgens P, Weber S et al.: A new soft-tissue simulation strategy for cranio-maxillofacial surgery using facial muscle template model. Prog Biophys Mol Biol;103:284. [11] Kim H, Jurgens P, Nolte LP, Reyes M: Anatomically-driven soft-tissue simulation strategy for cranio-maxillofacial surgery using facial muscle template model. Med Image Comput Comput Assist Interv;13:61. [12] Kim BC, Lee CE, Park W et al.: Clinical experiences of digital model surgery and the rapidprototyped wafer for maxillary orthognathic surgery. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. [13] Zeilhofer HF, Kliegis U, Sader R, Horch HH: [Video matching as intraoperative navigation aid in operations to improve the facial profile]. Mund Kiefer Gesichtschir 1997;1 Suppl 1:S68. [14] Marmulla R, Niederdellmann H: Computer-assisted bone segment navigation. J Craniomaxillofac Surg 1998;26:347. [15] Juergens P, Krol Z, Zeilhofer HF et al.: Computer simulation and rapid prototyping for the reconstruction of the mandible. J Oral Maxillofac Surg 2009;67:2167. [16] Baumann A, Schicho K, Klug C et al.: Computer-assisted navigational surgery in oral and ma- 2. Jahrgang

11 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren xillofacial surgery. Atlas Oral Maxillofac Surg Clin North Am 2005;13:41. [17] Ewers R, Schicho K, Undt G et al.: Basic research and 12 years of clinical experience in computer-assisted navigation technology: a review. Int J Oral Maxillofac Surg 2005;34:1. [18] Heiland M, Habermann CR, Schmelzle R: Indications and limitations of intraoperative navigation in maxillofacial surgery. J Oral Maxillofac Surg 2004;62:1059. [19] Chapuis J, Schramm A, Pappas I et al.: A new system for computer-aided preoperative planning and intraoperative navigation during corrective jaw surgery. IEEE Trans Inf Technol Biomed 2007;11:274. [20] Nadjmi N, Mollemans W, Daelemans A et al.: Virtual occlusion in planning orthognathic surgical procedures. Int J Oral Maxillofac Surg;39:457. [21] Marchetti C, Bianchi A, Bassi M et al.: Mathematical modeling and numerical simulation in maxillofacial virtual surgery. J Craniofac Surg 2007;18:826. [22] Marmulla R, Muhling J: Computer-assisted condyle positioning in orthognathic surgery. J Oral Maxillofac Surg 2007;65:1963. [23] Landes CA, Sterz M: Proximal segment positioning in bilateral sagittal split osteotomy: intraoperative controlled positioning by a positioning splint. J Oral Maxillofac Surg 2003;61:1423. [24] Junger TH, Krenkel C, Howaldt HP: Le Fort I sliding osteotomy--a procedure for stable inferior repositioning of the maxilla. J Craniomaxillofac Surg 2003;31:92. Kurzbiographie Dr. med. Dr. med. dent. Philipp Jürgens Medizinstudium, LMU München Zahnmezinistudium, LMU München 2003 Promotion Dr. med., TU München 2009 Promotion Dr. med. dent., Universität Basel Tätigkeit als Geschäftsführer und Wiss. Mitarbeiter am Bayerischen Forschungsverbund für Tissue Engineering und Rapid Proto Weiterbildung zum Facharzt für Mund- Kieferund Gesichtschirurgie am Klinikum rechts der Isar der TU München und dem Universitätsspital Basel Seit 2008 Oberarzt der Klinik für Mund- Kiefer- und Gesichtschirurgie Universitätsspital Basel Anzeige Dr.-Ing. Günter Müller, Dipl.-Ing. Clemens Groth FEM für Praktiker Band 1: Grundlagen Basiswissen und Arbeitsbeispiele zur Finite-Element-Methode mit dem Programm ANSYS Rev 9/10 8., neu bearb. Aufl. 2007, 807 S., CD-ROM, zahlr. Beispiele, 8 89,00, CHF 147,00 Edition expertsoft 23 ISBN Zum Buch: Die Finite-Element-Methode (FEM) hat sich in Industrie und Forschung als das rechnerische Simulationsverfahren der Praxis durchgesetzt. Sie wird in allen Branchen in Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen eingesetzt. Dieses Buch vermittelt praxisnahe Grundkenntnisse, um die FEM sinnvoll und effektiv anzuwenden und die Ergebnisse richtig zu bewerten. Es ist für die Praktiker geschrieben. Jeder der Berechner, aber auch der Entscheider erkennt damit die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen der FEM. Den Schwerpunkt des Buches bilden die zahlreichen Anwendungsbeispiele. Dabei werden die Idealisierung, die Berechnung und die Auswertung im Detail beschrieben und der Bezug zur technischen Alltagspraxis klargestellt. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) muss kein Buch mit sieben Siegeln bleiben die Grundzüge sind durchaus in kurzer Zeit erlernbar. Hilfreich ist dabei die Buchreihe»FEM für Praktiker«.»Ein Klassiker der deutschen FEM-Fachliteratur.«ke konstruktion + engineering expert verlag GmbH Postfach 2020 D Renningen Jahrgang

12 25. und 26. Juli Veranstaltungen CBU 2011: Computational Biomechanics in Ulm Am 25. und 26. Juli 2011 findet das 17. Symposium Computational Biomechanics in Ulm (CBU) statt. Während den letzten 16 Jahren hat sich diese Veranstaltung (früher als Workshop zur Finite-Elemente-Methode in Biomedizinische Technik, Biomechanik und angrenzenden Gebieten bekannt) zu einem hervorragenden Forum für den Austausch von Wissen und Erfahrung in verschiedenen Bereichen der Forschung entwickelt. Das Symposium soll alle Aspekte der computergestützten Methoden insbesondere die Finite-Elemente-Methode abdecken, die in der Biomechanik, Biomedizinische Technik und Biomedizin angewendet werden. Insbesondere wird Nachwuchswissenschaftlern die Gelegenheit gegeben, ihre Forschungsergebnisse in einem offenen wissenschaftlichen Umfeld zu präsentieren und zu diskutieren. Neben dem neuen Namen soll die Veranstaltung, die in der Ulmer Villa Eberhard durchgeführt wird, von einem erweiterten Organisationsteam, zusätzlichen Diskussionen am Runden Tisch und einem zweijährlicher Rhythmus profitieren. Aber auch die Kombination mit dem Sommerkurs über Grundlagen der Biomechanik und biomechanischen Methoden zur experimentellen Erforschung des Bewegungsapparates vom 19. bis 22. Juli 2011 könnte für einige Interessierte attraktiv sein. Das Ziel des Sommerkurses ist es, für Kliniker und unerfahrene biomedizinische Ingenieure grundlegenden Prinzipien der Biomechanik zu erläutern. Dabei sollen Kenntnisse in der Planung und Durchführung biomechanischer Experimente in einer ausgewogenen Mischung von Vorträgen und Laboratorien vermittelt werden. Weitere Informationen zum Symposium und zum Sommerkurs finden Sie unter: ufb/lehre/summercourse 26. bis 27. August 2011 in Rostock SimOrtho: Numerical Simulation in Orthopaedic Biomechanics In order to account for the growing performance and importance of numerical simulation, the Symposium SimOrtho (August 26 th 27 th, 2011) in Rostock (Germany) will concentrate on relevant topics of the field of Orthopaedic Biomechanics. All interested scientists who perform finiteelement-analysis, multi-body-simulation, static and dynamic approaches as well as co-simulation are heartly invited to present their current studies. Other parties interested in numerical simulation, especially clinicians, are encouraged to join in. However, making the results understandable and drawing clinical relevance from numerical simulation is quite challenging. Sharing experience in the cooperation of scientists of different groups and clinicians shall be a key topic of our meeting. Biomechanics and Implant Technology Research Laboratory (FORBIOMIT) Department of Orthopaedics, University of Rostock Doberaner Strasse Rostock, Germany Tel.: tina.schacht@med.uni-rostock.de Internet: BMT Jahrestagung der DGBMT vom 27. bis 30. September Zum ersten Male wird die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg zum Gastgeber einer Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (DGBMT) im VDE, denn vom 27. bis 30. September 2011 treffen sich Spezialisten und Interessierte im Konzerthaus Freiburg. Die Ausrichtung der BMT 2011 wird den Aspekt der interdisziplinären Interaktion zwischen klinischer Medizin, Biologie, Technik und Naturwissenschaften und medizinscher Industrie widerspiegeln und eine breite Kommunikationsplattform für Mediziner, Ingenieure und Naturwissenschaftler bieten. Zudem wird die Förderung junger talentierter Forscher im Vordergrund stehen. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Point-of-Care Diagnostik und Lab-on- Chip Systeme stellen neben den Entwicklungen für neurotechnische Schnittstellen System sowie Materialien wichtige zukunftsträchtige Themen dar. Als konkretes Beispiel kann das Bernstein Center Freiburg dienen, in dem technische Entwicklungen mit neuesten Methoden der Computational Neuroscience kombiniert und in klinische Anwendungen überführt werden. VDE Konferenz Service Frau Hatice Altintas Stresemannallee Frankfurt/Main Tel.: bmt-info@vde.com Internet: conference.vde.com/bmt-2011/ 2. Jahrgang

13 Veranstaltungen Konferenz und Messe am 28. und 29. September in Zürich OrthoTec Europe 2011 Die zweite OrthoTec Europe Konferenz und Messe findet am 28. und 29. September 2011 in Zürich statt. Sie bietet einen jährlichen Treffpunkt für Fachleute aus Produktion und Entwicklung im Orthopädiesektor aus ganz Europa. Im letzten Jahr fanden sich mehr als 900 Fachbesucher zur Messe ein, während die Konferenz mit nahezu 200 Entwicklungs- und Fertigungsspezialisten aus der Implantatbranche vollständig ausgebucht war. Teilnehmern werden die neuesten Technologien von internationalen Ausstellern präsentiert. Die Vorträge der Branchenexperten beschäftigten sich unter anderem mit dem neuesten Stand der Technik in der Implantatherstellung. Tel.: +49 (0) Internet: 5. und 6. Oktober 2011 AnyBody-Seminare zu Gelenk- und Muskelkräften In dem Seminar Einführung in die Simulation von Gelenk- und Muskelkräften mit AnyBody am 5. und 6. Oktober 2011 in Grafing bei München werden die Teilnehmer mit der Idee hinter der muskoleskelettalen Simulation vertraut gemacht. Anschließend wird an einfachen Beispielen die Anwendung der Software AnyBody vermittelt. Basierend auf der Mechanik des menschlichen Körpers lernen die Teilnehmer unter anderem das AnyBody Modeling System, die integrierte Modelbibliothek, den Aufbau einer kinematischen Berechnung sowie die ergonomische Optimierung kennen. Das AnyBody Modeling System ist eine Simulationssoftware um Muskelkräfte, Gelenkkräfte oder die mechanische Arbeit während eines Bewegungsablaufes zu berechnen. Typische Anwendungsgebiete sind: Biomechanische Forschung, Ergonomie, Sportgeräte Design oder Rehabilitation. Am 7. Oktober können sich Interessierte in einem Tagesseminar zusätzlich über eine effiziente Kopplung von AnyBody mit der Simulationslösung ANSYS Workbench informieren. Dabei wird eine Finite-Elemente-Analyse eines Implantates unter komplexen in vivo Lastbedingungen durchgeführt. Um osteosynthetische Implantate konstruktiv optimal auslegen zu können, müssen die wirkenden Belastungen bekannt sein. Leider gibt es bis jetzt kaum ausreichende Möglichkeiten um diese Kräfte im lebenden Menschen bestimmen zu können. Eine gute Möglichkeit komplexere Randbedingungen für die Finite-Elemente-Analyse zu ermitteln, ist die Simulation mit AnyBody. Dabei lassen sich Muskel- und Gelenkreaktionskräfte auf Basis reeller Bewegungsdaten berechnen und können anschließend auf ein FE-Modell aufgebracht werden. Der Workflow vom Import der Bewegungsdaten bis zur FE-Simulation ist Inhalt des Seminars. CADFEM GmbH Marktplatz Grafing bei München Tel info@cadfem.de Internet: Jahrgang

14 Vorschau Heft 3 September 2011 FE Analysis of Tumor-Induced Angiogenesis This contribution from PD Dr.-Ing. Bernd Markert (Universität Stuttgart) presents a multi-field continuum model for the description of the growth of new blood vessels. Particular focus is on the angiogenic process during the neovascularization of undersupplied tumor tissue. The finite element method helps to improve maxillary expansion treatment in orthodontics Orthodontics is a field of dentistry that prevents and treats teeth and face irregularities. To archive this, the Finite element method is a very helpful tool for improvement of orthodontic treatments. Normally surgically assisted maxillary expansion is used to treat adults with a narrow upper jaw. This study shows a combination of numerical and experimental methods to find a new treatment method that drastically reduces the risk associated with the surgical assisted maxillary expansion. The work was conducted by Dr. Andrew Boryor (Klinik für Kieferorthopädie und Orthodontie, Ulm) under the supervision of Prof. Dr. F.G. Sander. Aus der Praxis der Schultersimulation: Modellierung der Knochensteifkigkeit und Krafteinleitung Der Beitrag von Werner Pomwenger untersucht die Korrelation der Knochendichte mit den Elementsteifigkeiten, sowie die Krafteinleitung auf ein Schulterimplantat. Dazu werden verschiedene Theorien beleuchtet. Mehrere, in der Wissenschaft diskutierte Theorien zur Korrelation von CT-Daten (Hounsfield-Units) mit der lokalen Elementsteifigkeit im Knochen untersucht und verglichen. Außerdem wird untersucht, wie Kräfte auf ein Schulterimplantat bei bestimmten Bewegungen, wie z. B. eine 90 Abduktion, aufgebracht werden können. 2. Jahrgang

15 Aboservice / Veröffentlichungen Ihre Fachzeitschrift zur Simulation in der Medizin und Medizintechnik Redaktionsprogramm Jahrgang cameissn C. Wyss Muscle Modelling und FEM-Einsatz in der Fusschirurgie Methoden Strukturmechanische Simulation (FEM) in der Prothetik Strömungssimulation (CFD) in Blutgefäßen und Organen wie Herz und Lunge FEM-Modellierung komplexer anatomischer Strukturen Patienten-spezifische FEM/CFD-Simulation Bestimmung von Muskel- und Gelenkkräften Materialgesetze und Materialparameter für hartes und weiches Gewebe, z.b. Knochen, Fett- oder Muskelgewebe Design und Herstellung (Rapid Prototyping) von patientenspezifischen Implantaten Der Entwicklungsprozess unter Einsatz von Simulationstools Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Medizintechnik Datengewinnung und Messmethoden in der Medizintechnik C. Bourauel, A. Rahimi, L. Keilig, S. Reimann, I. Hasan, M. Abboud, G. Wahl Biomechanik sofortbelasteter Dentalimplantate A. Marzo, D. Sweeney, M. Murphy Computer Modelling of Haemodynamics and Morphology in Patient-Specific Intracranial Aneurysms Anwendungen Implantate für Hüfte, Schulter, Knie und Wirbelsäule Osteosynthesen Deformation von Fett- und Muskelgewebe Stents, Herzklappen Ergonomie Belastungstests, Lebensdauerermittlung Die Zeitschrift wendet sich an Entscheider, Entwickler, Forscher und Ärzte in Unternehmen, Kliniken und Hochschulen sowie an Doktoranden und engagierte Studierende technischer und medizinischer Studiengänge. came erscheint 4 x jährlich mit aktuellen Beiträgen aus Forschung und Praxis. Leseprobe unter Veröffentlichungen An Beiträgen, passend zu unserem Redaktionsprogramm (s.o.), sind wir sehr interessiert. Wenn Sie in came veröffentlichen wollen, schicken Sie Ihren Beitrag bitte an: Christoph Müller, M.Sc., Marktplatz 2, Grafing b. München, Tel.: +49-(0) , cmueller@cadfem.de Manuskriptvorgaben erhalten Sie unter: cmueller@cadfem.de, oder Downloads Richtungsweisende Praxisinformation aus Wissenschaft, Forschung und Entwicklung Jetzt abonnieren und ab sofort vom Know How zur Simulation in der Medizin und Medizintechnik profitieren! Fax Fon expert@expertverlag.de Ja, ich bestelle die Zeitschrift came Name, Vorname Firma Jahresabo Inland 129, 7 Jahresabo Ausland 139, 7 Einzelheft 34, 7 Studentenabo 68, 7 Straße, Hausnummer PLZ Ort Telefon, Datum, Unterschrift 2 2. Jahrgang