Sicherheitsorientierte Knochenbearbeitung mit dem Laser

Seit 2005 besteht eine Zusammenarbeit mit der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie am Klinikum rechts der Isar mit Prof. Dr. Herbert Deppe. Gemeinsam mit Ihm als Laserspezialisten wird der Einsatz von Lasern für die Knochenberarbeitung in der Zahnheilkunde untersucht. Seit 2009 werden die Arbeiten von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) im Rahmen des Projekts AZ821-08 gefördert. Im Jahr 2008 wurde die erste Doktorarbeit (Dr.-Ing. Sebastian Stopp) eines Ingenieurs abgeschlossen. 

Dentale Implantologie

Der Einsatz von Zahnimplantaten zur Versorgung von Zahnlücken gilt gegenwärtig als die modernste Form des Zahnersatzes. Die Herausforderung besteht darin, die Zahnimplantate (kleine Titanschrauben mit Innengewinde) so in den Kiefer einzusetzen, dass diese optimal halten und eine große Last beim Kauen aufnehmen können.

Implantat und Kavität

Um die Implantate in den Kiefer einzubringen, muss ein dazu passendes Loch (Kavität) über einen mehrstufigen Bohrvorgang gebohrt werden. Nach dem Ankörnen, folgt das Vorbohren mit dem Pilotbohrer, dann folgt der endgültige Bohrdurchmesser bevor das Implantat mit einem Drehmomentenschlüssel eingeschraubt wird. Da alle Implantate unterschiedliche Längen und Durchmesser besitzen, benötigt der Arzt sehr viele Bohrer.

Planung

Mit einem Planungsprogramm kann der Implantologe virtuelle Implantate in das CT-Modell oder DVT-Modell des Patientenkiefers einsetzen und verschieben. Es ist möglich, die Knochendichte entlang der Gewindegänge abzuschätzen. Die Implantate sollen meist parallel zueinander stehen. Die so geplante postoperative Situation enthält die genaue Position und Ausrichtung der Implantate. Sie kann entweder mit einer Bohrschablone oder mit einem Navigationssystem umgesetzt werden.

Navigation oder Schablone

Bei der Schablonentechnik wird eine Negativform des Kiefers mit einem 3D-Rapid-Manufacturing-Verfahren hergestellt. Man kann dann die Schablone auf den Kiefer aufstecken. In die Schablone sind Bohrhülsen eingearbeitet. Durch diese wird der Bohrer geführt. 

Bei der Navigation wird die Kieferposition und die Instrumentenposition 20 mal pro Sekunde gemessen und das virtuelle Instrument in den Bilddaten angezeigt.

Navigation in der Dentalen Implantologie

Der Chirurg sieht am Bildschirm das Modell des Patientenkiefers und wo sich aktuell das Instrument dazu befindet. Eine Fadenkreuzansicht funktioniert als Lupe zur präzisen Ausrichtung von Bohrerspitze und Bohrerwinkel. In der Nähe von Risikostrukturen (Nerven, die nicht verletzt werden sollen) warnt das Gerät akustisch und visuell.

Laserinstrumente

Um den Bohrer durch einen Laser zu ersetzen, müssen Kalibrationsverfahren entwickelt werden, 3D-Modelle der Instrumente in das Navigationssystem integriert werden und die Praxistauglichkeit bewertet werden.

Laserabtragsmodell

Während ein klassischer Bohrer nur genau dort Gewebe abträgt, wo sich seine Schneiden befinden, ist das Abtragsverhalten eines Lasers viel komplizierter. Dieses Verhalten muss in die Navigation integriert werden, damit der Gewebeabtrag ähnlich wie ein Bohrkanal modelliert werden kann. Am Bildschirm soll der Abtrag sichtbar werden.

Visualisierung des optimalen Arbeitsbereichs

Eine weitere Eigenschaft des Lasers liegt darin begründet, dass er bei zu großem oder zu kleinem Abstand zum Knochen, diesen durch Hitze zerstört. In Kombination mit dem Abtragsmodell muss der Arzt erkennen können, ob der Laser Material entfernt oder den Knochen nur erhitzt und damit abtötet.

Sicherheitsabschaltung des Lasers

Eine Besonderheit in dem Projekt ist es, die Leistung der Laser automatisch zu reduzieren, wenn der Abstand des Lasers nicht optimal das Material abträgt.

Klinischer Einsatz

Der klinische Einsatz bildet jeweils den Abschluss der Realisierung folgender Punkte:
Dentales Navigationssystem
Einbindung der Laserhandstücke
Einbindung des Abtragsmodells
Visualisierungsprinzipien
Sicherheitsabschaltung (Navigated Control)