Wie genau ist eine geführte Implantation? Wie sehr hat sich diese Genauigkeit über die Jahre verändert? Und wissen Sie nach so vielen Bohrschablonen, wie genau die nächste sein wird? Diese Fragen setzen die Branche seit über einem Jahrzehnt unter Druck, und die ehrliche Antwort lautet: Die meisten Gefragten können keine Zahl nennen, für die sie geradestehen würden.
Seit die digitale Implantologie in den 1990er-Jahren aufkam, hat sich alles um sie herum verbessert. Eine Desktop-CPU ging von einem Kern mit 100 MHz auf zwölf Kerne mit 3 GHz, der Arbeitsspeicher von 64 MB auf praktisch unbegrenzt. Die Bildgebung ging vom medizinischen CT zum CBCT, die Röntgendosis von rund 7000 Einheiten auf 70, die Schichtdicke von 0,75 mm auf 0,1 mm. Diese Fortschritte haben die digitale Implantologie überhaupt erst in die normale Praxis gebracht.
Der Genauigkeit wurde nie dieselbe systematische Aufmerksamkeit zuteil, und in der Frage steckt eine zweite, die selten von ihr getrennt wird: die Genauigkeit der Bohrschablone und die Genauigkeit der damit durchgeführten Operation sind zwei verschiedene Dinge.
Veröffentlichte Studien laufen meist gleich ab — ein paar Fälle nehmen, einige Schablonen anfertigen, in Modelle bohren, messen, berichten. Die berichteten Spannen gehen weit auseinander, typisch sind etwa 1 mm linearer und 5 bis 6 Grad Winkelfehler. Fast all diese Arbeiten teilen dieselben methodischen Probleme. Verwendet wird in der Regel experimentelle Software statt der Systeme, die tatsächlich Schablonen produzieren, sodass die Ergebnisse wenig über die Schablonen des Praxisalltags aussagen; auch Instrumente, Hülsen und Drucker sind weit von den klinisch eingesetzten entfernt. Welcher Teil des Fehlers systematisch ist, welcher zufällig, welcher vom Behandler und welcher vom Versuchsaufbau stammt, wird selten untersucht. Und die Arbeit entsteht meist ohne tiefen Einblick in die Software: Die Faktoren in den Algorithmen, die über die Genauigkeit entscheiden, kann eine Studie nicht kontrollieren, wenn sie nicht weiß, welche das sind.
Es gibt außerdem eine hartnäckige Überlieferung, die man beim Namen nennen sollte. Anwendern wird oft gesagt, sie sollten das Ergebnis nach der Registrierung eines Intraoralscans auf ein CBCT von Hand nachjustieren. Wer es versucht, merkt schnell, woran es hakt: Eine dreidimensionale Position über zweidimensionale Ansichten zu korrigieren, ist praktisch unmöglich. Eine Registrierung, die nachgeschoben werden muss, sagt etwas über die Registrierung aus — nicht über den Anwender.
GuideMia Implant Master ist seit 2012 FDA-510(k)-zugelassen (K121466) und wird in mehr als einem Dutzend Ländern eingesetzt. Was folgt, ist das, was die Implantatplanungssoftware, das Chirurgie-Kit und der Prozess darum herum tatsächlich tun, um die Genauigkeit zu kontrollieren — geschrieben von innen, von den Leuten, die die Algorithmen geschrieben haben.
Woraus sich die Genauigkeit einer Bohrschablone zusammensetzt
Im Wort „Genauigkeit" stecken vier verschiedene Dinge, und es hilft, sie auseinanderzuhalten:
- Formgenauigkeit oder Passung — ob die Schablone auf dem Modell oder im Mund des Patienten satt aufsitzt.
- Positionsgenauigkeit — ob die aufgesetzte Schablone die Position reproduziert, die sie im Plan hatte.
- Die Wirkung der Schablone auf die Bohrung — wie treu die Osteotomie der geplanten Achse und Tiefe folgt.
- Stabilität während der Operation — ob die Schablone dort bleibt, wo sie aufgesetzt wurde, während die Bohrer laufen.
CBCT-Verarbeitung in der Implantatplanungssoftware
Bei einem teilbezahnten Fall, der aus optischen Scans geplant wird, entscheidet die Qualität der CBCT-Verarbeitung über die Positionsgenauigkeit der Schablone. Bei einem unbezahnten Fall oder einer knochengetragenen Schablone entscheidet sie über Form und Position zugleich.
Als Implantatplanungssoftware noch von der Hardware ausgebremst wurde, war Down-Sampling der übliche Trick. Ein Datensatz mit 512 × 512 × 512 hält 125 Millionen Voxel und über 250 MB, und zwischen Laden und Darstellung wird das drei- bis viermal kopiert — ein Gigabyte ist weg, bevor irgendeine Bildverarbeitung beginnt. Halbiert man jede Achse auf 256 × 256 × 256, bleibt ein Achtel der Daten, und die Grafikhardware interpoliert die Überlebenden zu einer glatt aussehenden Darstellung zurück, die verdeckt, was verworfen wurde. Sieben Achtel des Patientenscans sind fort. Die Eingangsdaten mit Respekt zu behandeln ist das erste Prinzip jedes ernsthaften Systems, und mit heutiger Hardware gibt es für die Abkürzung kein Argument mehr.
Die zweite Anforderung ist die Rekonstruktion von Knochen geringer Dichte. Ein einfacher Schwellwert ist nie das Ende der Geschichte: Die poröse Struktur an der Knochenoberfläche muss ordentlich verarbeitet werden, bevor das Modell brauchbar ist. GuideMia Implant Master erledigt das mit dem, was es virtuelles Weichgewebe-Abheben nennt, und erst das entstehende Modell macht 3D-Druck und knochengetragenes Schablonendesign möglich. Dass dies in der Implantatplanungssoftware geschieht, zählt so viel wie das Ergebnis selbst: Das Knochenmodell, das beim Schablonendesign ankommt, ist dann jenes, das der Planer geprüft hat, in der Auflösung, die der Scan hergibt — und keine Fassung, die durch ein allgemeines Modellierwerkzeug gelaufen und nach fremdem Maßstab neu geglättet zurückgekommen ist.
Bildverarbeitung eines Oberkieferfalls — Füllen und Glätten des rekonstruierten Knochens.
Wo das Knochenmodell gut ist, lässt sich die Schablone gegen die Knochenoberfläche bauen, statt darüber zu schweben. Genau das macht eine kombinierte Knochenreduktions- und Implantatschablone praktikabel.
Eine Knochenreduktionsschablone und die Implantatschablone, die darauf folgt. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Raymond Chow, Hong Kong Dental Implant Center.
Die Registrierung der Scans
Die meisten stellen sich Registrierung so vor: drei oder mehr Punkte je Datensatz anklicken und einen Iterative-Closest-Point-Algorithmus sie zusammenziehen lassen. Genau dieses Bild ist der Grund, warum die Registriergenauigkeit oft schlecht ist — und warum das Thema komplizierter gemacht wurde, als es ist, samt dem Rat, hinterher von Hand nachzujustieren.
Die Schwäche steckt in der Prämisse. CBCT-Daten sind für Punktwahl nicht präzise genug, und ein Anwender kann auf zwei Datensätzen unterschiedlicher Art keine verlässlich korrespondierenden Punkte wählen. Unten sind die in beiden Fenstern gewählten Punkte sichtbar nicht dieselben.
Derselbe Landmark, zweimal gewählt — und nicht an derselben Stelle.
GuideMia Implant Master registriert Regionen, nicht Punkte. Ausgehend von der Stelle, die der Anwender angibt, wählt die Implantatplanungssoftware eine Nachbarschaft, deren lokale CBCT-Eigenschaften sich zum Matchen eignen, und ein Regionen-Matching-Algorithmus erledigt den Rest. Das ist schnell, verzeiht ungenaues Klicken und gelingt in der großen Mehrzahl der Fälle im ersten Anlauf.
Registrierung aus mehreren gematchten Oberflächenstücken statt aus Einzelpunkten.
In der Softwareentwicklung gibt es generell die Versuchung, einen Schritt über den Punkt hinaus zu automatisieren, an dem Automatisierung noch hilft. Die Registrierung zieht diese Versuchung besonders an. Doch CBCT hat eine geringere Auflösung als ein optischer Scan und bringt Streuartefakte mit, und ein vollautomatischer Abgleich über eine große Region hat reichlich Gelegenheiten, danebenzugreifen. Der Fall unten — ein Patient mit gelockerten Zähnen — ist das Argument dafür, die Regionen bewusst zu wählen: Die Zähne, die sich zwischen den Aufnahmen bewegt haben, dürfen nicht jene sein, denen die Registrierung vertraut.
Bei gelockerten Zähnen ist die Wahl der Regionen eine klinische Entscheidung, kein Detail.
Bei unbezahnten Fällen und bei teilbezahnten mit starker Streuung registriert GuideMia Implant Master das Patienten-CBCT automatisch auf die Röntgenschablone: Es findet die röntgenopaken Marker, extrahiert und matcht sie, und zwar auch dann, wenn der Scan voller Artefakte ist. In welcher Lage der Scan zufällig vorliegt, spielt keine Rolle.
Eine verbreitete Alternative ist, einen optischen Scan der Röntgenschablone von Hand auf das CBCT zu registrieren — Punkte auf der STL-Oberfläche, passende Marker im Volumen. Das ist eine unhandliche Operation. Punkte auf einem STL liegen auf Flächen mit klarer Orientierung, während die Marker im CBCT fast keine besitzen; einen Punkt auf einer Kugel einem Punkt auf einem Netz zuzuordnen, bleibt Raterei, und automatisieren lässt es sich kaum.
Erwähnenswert ist noch, dass zuweilen ein Triple-Scan-Protokoll eingesetzt wird, um Fehler aus der CBCT-Verarbeitung zu umgehen: erst das CBCT der Röntgenschablone auf das Patienten-CBCT registrieren, dann einen optischen Scan der Schablone auf deren eigenes CBCT. Das verbessert tatsächlich die Formgenauigkeit der fertigen Schablone und ihre Stabilität. Der Positionsfehler hängt jedoch weiter an der CBCT-Verarbeitung, und kein optischer Scan nimmt ihn heraus.
Geometrische Details, und was davon weg muss
Algorithmen für das Schablonendesign haben meist zwei Schritte: die Geometrie des Modells kopieren, dann die Unterschnitte entfernen. Ein dritter fehlt öfter als nicht — der Umgang mit der Feingeometrie des optischen Scans.
Modelle tragen kleine Blasen und Gipsreste, und Zähne tragen sehr viel echtes Feindetail. Bildet man das alles getreu in der Schablone ab, sitzt sie nicht: Jedes Artefakt wird zur Interferenz. Die Implantatplanungssoftware muss entscheiden, was Anatomie und was Rauschen ist, und das Rauschen herausnehmen.
Kleines Oberflächendetail wird von der Auflagefläche entfernt, damit die Schablone sitzen kann.
Unterschnitte, Passungsanalyse und die Einschubrichtung
Bei Full-Arch-Schablonen ist die Unterschnittbearbeitung etwas Besonderes: Ein einziger falsch behandelter Punkt irgendwo im Bogen kann verhindern, dass die Schablone sitzt. Manche Wege, Unterschnitte zu entfernen, erkaufen das mit der Genauigkeit der Auflagefläche — die Schablone geht auf, ist aber nicht mehr die Form, die designt wurde.
Unterschnitte entfernt, auf Kosten genau der Fläche, die die Schablone reproduzieren soll.
GuideMia Implant Master entfernt die Unterschnitte und behält die designte Fläche.
Derselbe Vorgang, mit erhaltener Auflagefläche.
Unterschnitte zu entfernen setzt eine Einschubrichtung voraus, und der Algorithmus arbeitet um diese Richtung herum. In der Passungsanalyse unten sind die grünen Bereiche das Spiel, das nach dem Entfernen der Unterschnitte bleibt.
Passungsanalyse: Spiel zwischen Schablone und Anatomie des Patienten, in Millimetern. Diese Visualisierung ist patentierte GuideMia-Technologie.
Dieses Spiel ist auch die Stelle, an der die Operation schiefgehen kann. Setzt man die Schablone entlang ihrer Einschubrichtung, ist die Passung wie designt. Drückt man sie stattdessen von bukkal, kippt sie — und das Kippen wird über die Länge der Osteotomie vervielfacht.
Die Schablone so aufsetzen, wie sie aufgesetzt werden sollte.
Druck von bukkal. Die Schablone kippt, und der Bohrer folgt ihr.
Die Einschubrichtung ist eine Designentscheidung, keine feste Eigenschaft des Falls. Definiert man sie in der Implantatplanungssoftware neu, entsteht eine andere Schablone — eine, deren bukkale und linguale Flächen beide am Gewebe des Patienten anliegen.
Derselbe Fall mit anderer Einschubrichtung: Kontakt auf beiden Seiten.
Die Unterschnittbearbeitung wirkt damit direkt auf Genauigkeit und Stabilität einer Bohrschablone — und ist der Schritt, der am häufigsten ungeprüft bleibt.
Prüfen, ob die Schablone wirklich sitzt
Im Alltag prüft der Chirurg beim Aufsetzen, ob beide Enden unten sind und ob die Schablone weder locker noch zu stramm ist. Ob sie exakt dort sitzt, wo sie im Plan saß — gleiche Auflage, gleiche Richtung —, kann niemand sehen.
GuideMia Implant Master hat dafür eine wenig bekannte Antwort. Ist die Schablone designt, kann das System ein separates Teil erzeugen, dessen einzige Aufgabe die Kontrolle des Sitzes ist: Mit aufgesetzter Schablone verrät die Beziehung zwischen Schablone und diesem Teil, ob sie dort ist, wo sie sein soll.
Ein zusammen mit der Schablone erzeugtes Teil, nur um zu bestätigen, dass die Schablone wie geplant sitzt.
Das Chirurgie-Kit
Ein geführtes Kit, das über einen an die Schablone gehaltenen Löffel oder Griff navigiert, bringt an jeder Schnittstelle Spiel ein, und dieses Spiel summiert sich entlang des Bohrers. Nimmt man ein Kit mit 3,5 mm hoher Hülse und je 0,1 mm Spiel zwischen Löffel und Hülse sowie zwischen Bohrer und Löffel an, kann die apikale Abweichung bei einem 11,5-mm-Implantat 1 mm überschreiten — allein aus Toleranzen, bevor eine Hand ins Spiel kommt.
Das GuideMia Universal Kit ist andersherum gebaut: Der Bohrer trägt seinen eigenen Führungszylinder und läuft direkt in der Hülse, der Löffel entfällt in den meisten Situationen. Weniger Schnittstellen bedeuten weniger aufsummiertes Spiel, und die Bohrer verschleißen weniger, weil nichts dort reibt, wo es nicht soll. Etliche weitere Details des Kits existieren aus demselben Grund.
Führung über den eigenen Zylinder des Bohrers, direkt in der Hülse der Schablone laufend.
Plan und Ergebnis vergleichen
Implantieren ist eine Fähigkeit, die sich mit Rückmeldung verbessert. Kann ein Chirurg nicht erkennen, woher eine Abweichung kam oder wie sie beim nächsten Mal zu vermeiden ist, geht ein großer Teil des Werts digitalen Arbeitens verloren. Den postoperativen Scan mit dem Plan zu vergleichen schließt diesen Kreis: Es zeigt, ob die Schablone unvollständig saß, ob das Implantat mesial oder distal abgewandert ist, ob es nach bukkal gekippt ist, ob die Schablone stabil war.
Plan und Ergebnis auf derselben Anatomie. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Feng Liu, Peking.
Diese Rückmeldung hat die Praxis verändert. Die Durchsicht von Full-Arch-Fällen zeigte Schablonen, die oft genug nach lingual kippten, um relevant zu sein; daraus wurden Regeln für Verankerungspins: Die vertraute Anordnung dreier Pins links–mittig–rechts gilt nicht mehr als Standard, und Pins sollten weder annähernd in einer Ebene liegen noch annähernd in eine Richtung zeigen.
Das Qualitätssystem — und der Drucker
Papierkram zum Qualitätsmanagement macht niemandem Freude, doch die Arbeit mit Laboren international hat gezeigt, wo er sich auszahlt: standardisierte Designabläufe, standardisiertes Datenmanagement und strenge Kontrolle der Fertigungsgeräte.
Eine SOP aus einem Produktions-Qualitätssystem. Mit freundlicher Genehmigung von Francesco Pastore, PTM Solutions, Italien.
Der 3D-Druckermarkt verdient eine eigene Warnung. Käufer und Hersteller teilen nicht denselben Wissensstand, und den meisten Anwendern hat nie jemand erklärt, was Schichtdicke, XY-Auflösung, kleinstes Detail und Nachbearbeitung mit einem Bauteil machen. Schablonen werden auf FDM-Maschinen gedruckt. Drucker mit 0,1–0,2 mm Fehler werden für Alignerarbeit verkauft, wo 0,2 mm der Größe einer geplanten Zahnbewegung je Stufe entspricht. GuideMia hilft Kunden beim Aufbau von Design- und Fertigungs-SOPs, betreibt selbst eine, und wendet ausdrückliche Kriterien bei der Auswahl von Druckern und Scannern an.
Den Fehler simulieren
Die Genauigkeit einer Implantatposition hängt von mehreren Eingangsgrößen zugleich ab: CBCT-Genauigkeit, Scannergenauigkeit, Registriergenauigkeit, Druckergenauigkeit und wie präzise die Schablone sitzt. Für jede davon ist eine Spanne bekannt oder abschätzbar.
Nach Abschluss eines Plans ist daher die faire Frage: Wo kann dieses Implantat angesichts dieser Spannen tatsächlich landen? GuideMia Implant Master beantwortet sie mit einem patentierten Fehlersimulationsmodul, das die Positionen zeigt, die das Implantat einnehmen kann, wenn sich die Fehler ungünstig überlagern. Damit wird der Sicherheitsabstand sichtbar — und der Planer kann sich vor der Operation von einer kritischen Struktur entfernen, statt hinterher festzustellen, dass der Abstand zu knapp war.
Ein Implantat, seine Sicherheitszone und mehrere Positionen, die es unter kombiniertem Fehler einnehmen könnte.
Schlusswort
Seit über einem Jahrzehnt arbeitet GuideMia an der Genauigkeit von Behandlungsplanung, Schablonendesign und klinischem Einsatz der Schablonen und hat die entsprechenden Funktionen in die Implantatplanungssoftware gebaut, mit der seither Zehntausende Fälle geplant wurden.
Eine Frage in diesem Feld ist weiter offen, und es ist die teure: Können wir, wenn eine Bohrschablone gefertigt ist, wissen, wie genau sie im Mund des Patienten sitzen wird und wie viel Abweichung daraus folgt? Heute kann das niemand. Alles oben Beschriebene verkleinert den Fehler; nichts davon misst das fertige Teil. Diese Messung ist das Nächste, was zu bauen sich lohnt.
Geschrieben von Frank Gao, GuideMia Technologies, LLC. Erstveröffentlichung 2018, für das Web überarbeitet; die beschriebene Technologie steckt in GuideMia Implant Master, FDA-510(k)-zugelassen unter K121466 und entwickelt unter einem nach ISO 13485 zertifizierten Qualitätsmanagementsystem.