Aktive oder statische 3-D Navigation

Die 3-D Implantat Navigation ist mittlerweile international ein Standard für die exakte und sichere intraoperative Positionierung der Implantate. Es wird in Publikationen zwischen einer “dynamischen” und einer “statischen” Navigation unterschieden.

Dynamische 3-D Navigation

Über 3-D Sensoren wird die Position des Implantatbohrers relativ zur Anatomie des Patienten erfasst. Die Visualisierung ist in Echtzeit und 3-D, daher die Bezeichnung “dynamische Navigation“. Die Argumentation der dynamischen Systeme ist dass eine Implantation am selben Tag möglich ist.

Die Bildgallerie oben zeigt die von Dr. Truppe entwickelte 3-D Navigation im Einsatz an der Universität Tokyo im Jahre 2005. Es gibt darüber eine Vielzahl von wissenschaftlichen Publikationen, auch ein Vergleich zwischen dynamischer und statischer Navigation (1).

Ein ähnliches System, das XGuide (TM) System, wird seit 2015 erprobt und in letzter Zeit wieder als Innovation beworben.

Statische Navigation

In der Zahnheilkunde wird die Erstellung einer Bohrhilfe in der Form einer Schablone als statische Navigation bezeichnet.

Ein Nachteil war bislang dass intraoperativ keine Änderungen möglich waren und die Schablone Wochen im voraus geplant werden muss. Der zweite Nachteil ist dass der Chirurg diese Arbeit dem Zahnlabor überträgt und daher keine Interaktion Planung und intraoperative Navigation möglich ist.

3-D Navigation mit 3-D Druck

Wir beschäftigen uns seit einigen Jahren mit dem 3-D Druck in der Zahnheilkunde. In Zusammenarbeit mit dem Dentallabor Vaskovich testen wir 3-D Hochgeschwindigkeitsdrucker. Während bislang die Erstellung einer Brücke einige Werktage in Anspruch nahm kann nun eine komplette Zahnbrücke in nur 10 Minuten ausgedruckt werden (!).

Ein Duplikat dieser Brücke wird gleichzeitig für die 3-D Navigation herangezogen, intraoperative Änderungen sind in 10 Minuten möglich. Wegen der fast interaktiv möglichen Änderung des Behandlungsplanes nennen wir diesen Ablauf Hybridnavigation, eine Kombination der Vorteile von dynamischer und statischer Navigation.

Durch den Hochgeschwindigkeits 3-D Druck wird chairside dentistry, also die Fertigung einer Zahnkrone in einer Sitzung, auf eine neue Ebene gebracht.

Diagnose und Behandlung an einem Tag

Entsprechend den Erwartungen des Patienten werden die möglichen Behandlungsoptionen besprochen. Am Beispiel einer Zahnlücke gibt es die Wahl zwischen einer Brücke oder einem Einzelimplantat. Mit dem neuen Verfahren ist das Implantat unter Umständen die kostengünstigere und schonendere Behandlungsmethode.

3-D Simulation der Krone

• 3-D Scan mit optischem Scanner (ohne Abdruckmasse und Würgereiz)
• 3-D Visualisierung von Krone oder Brücke
• Besprechung des Behandlungsplanes mit Patient
• 3-D Hochgeschwindigkeits Druck der Krone
• Ästhetische Probe der Krone chairside

Entscheidung des Patienten für Implantat

Parallel zum 3-D Druck der Krone wird auch eine 3-D Röntgenaufnahme angefertigt. Das Implantat wird entsprechend dem Knochenangebot passend zur Krone geplant.

• 3-D digitale Volumentomographie (bzw Computertomographie)
• 3-D Navigation der Implantats auf Basis des 3-D Drucks

Sollte das Knochenangebot intraoperativ eine Änderung des Behandlungsplanes erfordern ist die 3-D Navigation durch den Hochgeschwindigkeitsdrucker in 10 Minuten modifiziert.

Versorgung mit provisorischer Krone an einem Tag

• Übergabe der Sofortkrone (optional bei ausreichend Knochenangebot) oder des Provisoriums

Damit können wir Patienten eine neue Methode anbieten welche den Zeitaufwand der Behandlung drastisch verkürzt. Durch den Einsatz eines 3-D Druckers im eigenen Praxislabor ist dies zudem noch kostengünstiger.

Rückblick

Als Erfinder und Entwickler der dynamischen 3-D Navigation haben wir 25 Jahre Erfahrung mit dieser Technologie.

1. Ruppin, J. et al. Evaluation of the accuracy of three different computer-aided surgery systems in dental implantology: optical tracking vs. stereolithographic splint systems. Clin Oral Implants Res 19, 709–716 (2008).

Meilensteine der Entwicklung der 3D Implantat Navigation

Ursprung der Entwicklung

Durch die Arbeit an der Universitätsklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie in Wien war die Fragestellung wie durch eine Osteotomie Operation das Profil des Patienten verbessert werden kann.

Dazu wurden ein seitliches Röntgen (Fernröntgen) und ein Profilbild des Patienten maßstabsgerecht überlagert. Als ersten Schritt haben wir statt eines Bildes eine live Video Kamera eingesetzt. Die Durchzeichnung der Profillinie auf dem Röntgen wurde so im live Video Bild sichtbar.

Um dem Patienten eine Bewegung zu ermöglichen wurden nun 3D Sensoren (Polhemus Magnetsensoren) sowohl an Stirn des Patienten als auch an der Kamera befestigt.

Wir waren weltweit die ersten welchen den TSAI Algorithmus für die Visualisierung der stereotaktischen image guided surgery eingesetzt haben. Die Mathematik der Software wurde für Artma von Ferenc Pongracz, PhD entwickelt.

R.Y. Tsai,
An Efficient and Accurate Camera Calibration Technique for 3D Machine Vision.
Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Miami Beach, FL, pp. 364-374, 1986

Wir haben die Software als open source publiziert. Mittlerweile ist der TSAI Algorithmus Teil der Ausbildung in der Informatik.

Mathematical Specification in ARTMA System

Referenzen über TSAI Kamera Kalibration

Tsai Camera Calibration – University of Edinburgh

Tsai’s Camera Calibration Method Revisited – Massachusetts …

Vorlesung: Angewandte Sensorik – uni-hamburg.de

Weltweit erste Fallvorstellung mit Augmented Reality und Image Guided Surgery 1995

Nach unserem Wissensstand waren wir 1995 weltweit die erste Gruppe welche einen erfolgreiche Operation am Patienten mittels Augmented Reality und Image Guided Surgery vorgestellt hat. Nachdem die Technologie so neu war und augmented reality noch kein allgemein bekannter Begriff haben wir unsere Technologie Interventional Video Tomography getauft.

Michael J. Truppe, Ferenc Pongracz, Oliver Ploder, Arne Wagner, and Rolf Ewers “Interventional video tomography”, Proc. SPIE 2395, Lasers in Surgery: Advanced Characterization, Therapeutics, and Systems V, (12 May 1995); https://doi.org/10.1117/12.209096

Abstract

Interventional Video Tomography (IVT) is a new imaging modality for Image Directed Surgery to visualize in real-time intraoperatively the spatial position of surgical instruments relative to the patient’s anatomy.
The video imaging detector is based on a special camera equipped with an optical viewing and lighting system and electronic 3D sensors. When combined with an endoscope it is used for examining the inside of cavities or hollow organs of the body from many different angles. The surface topography of objects is reconstructed from a sequence of monocular video or endoscopic images. To increase accuracy and speed of the reconstruction the relative movement between objects and endoscope is continuously tracked by electronic sensors.
The IVT image sequence represents a 4D data set in stereotactic space and contains image, surface topography and motion data. In ENT surgery an IVT image sequence of the planned and so far accessible surgical path is acquired prior to surgery. To simulate the surgical procedure the cross sectional imaging data is superimposed with the digitally stored IVT image sequence. During surgery the video sequence component of the IVT simulation is substituted by the live video source.
The IVT technology makes obsolete the use of 3D digitizing probes for the patient image coordinate transformation. The image fusion of medical imaging data with live video sources is the first practical use of augmented reality in medicine. During surgery a head-up display is used to overlay real-time reformatted cross sectional imaging data with the live video image.

Patente von Dr. Michael Truppe für Augmented Reality and Image Guided Surgery