Die Verwendung von 3D, 4D, VR/AR und Mobile Apps in der Fazialischirurgie

Die Fazialischirurgie befasst sich mit der Reanimation des gelähmten Gesichtes. Um Gesichtsbewegungen und Emotionen zu quantifizieren, existieren bereits verschiedene Bewertungssysteme. Mit zunehmendem technischem Fortschritt steht dem Behandler auch eine wachsende Anzahl an interessanten und vielversprechenden digitalen Software- und Analysetools zur Verfügung.

Die Fazialisparese

Die Gesichtslähmung, auch Fazialisparese genannt, ist eine Schwäche oder Lähmung der Gesichtsmuskeln, die durch Erkrankungen oder Verletzungen des Gesichtsnervs (N. facialis bzw. N. VII) verursacht wird.¹ Sie kann eine, manchmal auch beide Gesichtshälften betreffen. Sie kann erworben oder angeboren sein, junge und alte Menschen betreffen und unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Die Symptome können von leicht bis schwer variieren, im Laufe der Zeit verschwinden oder sogar dauerhaft bestehen bleiben. Aufgrund der komplexen Anatomie des Gesichtsnervs und des breiten Spektrums an Funktionen des Gesichts kommt es bei den Betroffenen nicht nur zu körperlichen Einschränkungen, wie zu Problemen bei der Nahrungsaufnahme und Speichelverlust, sondern auch zu mangelndem Ausdruck von Emotionen durch eine angemessene Mimik.²

Ursachen für eine Fazialisparese

Eine solche Lähmung des Gesichtes kann durch eine Vielzahl von Pathologien verursacht werden, die alle anatomischen Segmente im Verlauf des Nervus facialis betreffen können. Läsionen können kortikale und subkortikale Regionen, den Nucleus facialis, den Kleinhirnbrückenwinkel, den inneren Gehörgang, das Foramen stylomastoideum, die Ohrspeicheldrüse und die peripheren Äste des Nervus facialis betreffen.³ Zu den Ursachen für Gesichtslähmungen gehören beispielsweise iatrogene Läsionen, neoplastische Erkrankungen, neurologische und angeborene Erkrankungen sowie metabolische Ursachen⁴ und Infektionskrankheiten,^5,6 sie können aber auch im Rahmen von systemischen oder Autoimmunerkrankungen auftreten.^7,8 Periphere Gesichtslähmungen können beispielsweise durch iatrogene oder traumatische Ursachen entstehen.^9,10 Es existiert jedoch noch eine Vielzahl weiterer Ursachen.

Behandlungsmöglichkeiten

Konservativ

Gemäss internationalen Leitlinien¹¹ wie auch denen der Deutschen Gesellschaft für Neurologie steht derzeit für die idiopathische Fazialisparese vor allem die konservative Behandlung mit Glukokortikoiden und antiviralen Medikamenten im Vordergrund.¹²

Operativ

Bei irreversiblen Gesichtslähmungen und nach unvollständiger oder mangelhafter Regeneration des Gesichtsnervs wird eine sogenannte chirurgische «Gesichtsreanimation» durchgeführt.^13,14 Die Behandlung hängt von der Ätiologie und dem Schweregrad der Nervenverletzung ab. Das ultimative Ziel der chirurgischen Behandlung ist die Wiederherstellung der statischen und dynamischen Symmetrie des Gesichts mit einer emotional verbundenen Gesichtsbewegung.^15,16 Die Behandlung muss individuell an jeden Patienten angepasst werden, je nach Ätiologie, klinischer Präsentation, Begleiterkrankungen und auch psychologischer Situation.¹⁷ Es gibt eine Vielzahl von chirurgischen Optionen für die Behandlung von Gesichtslähmungen, die grob in Reinnervation (z.B. direkte Nervennaht, Cross-Face-Nerve-Graft) statische Rekonstruktion (z.B. Fascia-lata-Suspension) und dynamische Rekonstruktion (z.B. freier funktionaler Muskeltransfer mittels M. gracilis) unterteilt werden können.¹⁸

Klassische analoge Bewertungssysteme

Für die Beurteilungen der Gesichtsbewegung und den Grad der sogenannten «fazialen Dysfunktion» existieren verschiedene Bewertungssysteme, wie z.B. die Gradeinteilung nach House-Brackmann oder das «Sunnybrook»-System.^19,20 Weitere Möglichkeiten sind z.B. auch ein patientenbasierter Fragebogen wie das «FaCE»-Skaleninstrument oder das «Chuang Smile Excursion Score System».^21,22

Bei dem weithin etablierten klassischen «Sunnybrook Facial Grading System» nach Brenda Ross et al. werden beispielsweise lokale Parameter untersucht. Mittlerweile existiert davon auch eine deutsche Validierung von Neumann et al. (Abb. 1).²³ Mit hoher Sensitivität und Reliabilität stellt dieses ein anerkanntes und verbreitetes diagnostisches Hilfsmittel dar.²⁴ Es werden Ruhesymmetrie, Symmetrie in der Bewegung und Synkinesien anhand eines festgelegten Schemas bewertet (Abb. 1).

3D- und 4D-Oberflächenabbildungssoftware

Die Qualitätssicherung in der Behandlung von Patienten mit einer Fazialisparese ist essenziell und erfordert adäquate Instrumente zur Dokumentation des prä- und postoperativen Zustandes. Aufgrund der vielfältigen und dreidimensionalen Veränderungen der Oberfläche, hervorgerufen durch Gesichtsbewegungen und -ausdrücke, stellt deren Darstellung hohe Anforderungen an 3D- und 4D-Systeme.^25,26 Im Folgenden soll ein exemplarischer Überblick über Analyseprogramme bzw. Hersteller und ihre 3D- und 4D-Systeme, mobilen Apps und virtuelle Technologien gegeben werden, die für die Behandlung von Gesichtslähmungen relevant sind. Angesichts der rasanten Fortschritte bei den optischen Systemen und der Datenverarbeitungssoftware kann dies nur ein grober Überblick sein.²⁷

Das «Wiener» 3D-Videoanalyse-System

Mit dem von Frey et al. entwickelten System werden Videoaufnahmen von Probanden nach Auswahl der am besten geeigneten Videosequenzen bearbeitet und die 3D-Koordinaten von Landmarken im Gesicht mit der speziell programmierten Software Facialis® generiert. Die Visualisierung der generierten Daten erfolgt mit dem Programm FaciShow®. Damit können zwei- und dreidimensionale Trajektorien jedes gesetzten Markers in Bewegung ausgewertet werden.²⁸

Canfield

Die 3D-Oberflächenabbildungssysteme von Canfield basieren auf passiver Stereophotogrammetrie. VECTRA® XT (Abb. 2) z.B. erstellt 3D-Bilder von Gesicht, Brust und Körper als 360°-Bilder und Umfangsmessungen. Mithilfe der Software von Canfield sind vielfältige Messungen möglich (Abb. 3). Das Oberflächenregistrierungsverfahren von Canfield wurde bereits bei Patienten mit Gesichtslähmung angewandt und hat sich als äusserst gut reproduzierbar erwiesen.²⁹ Sawyer et al. stellten in ihrer Untersuchung fest, dass die Zuverlässigkeit der Messungen der Bewegung und des Winkels der fazialen Orientierungspunkte zwischen den Beurteilern sehr genau war.³⁰

Artec 3D

Mit dem Artec Eva wird ein portabler Scanner, der mithilfe von strukturiertem (Weiss-)Licht arbeitet, angeboten. Durch das frei verfügbare Software-Development-Kit (SDK) wird es dem einzelnen Anwender oder Unternehmen ermöglicht, bestehende Software zu modifizieren oder neue Software zu entwickeln. Koban et al. verglichen den Artec-3D-Scanner mit einem Referenzbildgebungssystem (Vectra XT von Canfield Scientific, Inc.) und wiesen nach, dass dreidimensionale Oberflächen, die von Artec Eva für die Gesichtsbildgebung erfasst wurden, eine ähnliche Genauigkeit aufweisen wie die Referenzbilder des Vectra XT.³¹

Kinect

Kinect (Version I und II, Microsoft) basiert auf der Technologie des strukturierten Lichts und der Laufzeitmessung. Kinect II wurde bereits zur Bewertung von Gesichtslähmungen eingesetzt und bietet Bewertungspunkte nach drei weitverbreiteten traditionellen Klassifizierungssystemen.³² In verschiedenen Studien wurde das Kinect-System für die automatische Klassifizierung von Gesichtslähmungen,³³ für ein interaktives orales Rehabilitationsprogramm und für ein System zur Bewertung von Gesichtslähmungen zur Erstellung eines geeigneten Rehabilitationsprogramms eingesetzt.³⁴

Facegram

Dieses System ist in der Lage, komplexe 3D-Gesichtsbewegungen quantitativ und objektiv zu bewerten, indem es eine Reihe von morphologischen, statischen und dynamischen Messungen vornimmt. RGB-D-Kameras nehmen Farb- und Tiefenbilder auf und ein Algorithmus verfolgt die Position der anatomischen Orientierungspunkte von Interesse. Das System liefert nützliche und detaillierte quantitative Informationen, sowohl statisch als auch dynamisch, was es zu einer geeigneten Lösung für die objektive und quantitative Charakterisierung von Gesichtsbewegungen in einer klinischen Umgebung macht.³⁵

Face2Face® App

Die Face2Face Facial Palsy App (Kapios Health, Toledo, USA) unterstützt die Behandlung und Rehabilitation von Patienten mit Gesichtslähmung (Abb. 4). Die Anwendung nutzt das Prinzip der Spiegel-Biofeedback-Therapie, das mit positiven Ergebnissen bei der Behandlung idiopathischer Gesichtslähmungen in Verbindung gebracht wurde.³⁶ Das Programm funktioniert wie ein doppelt spiegelnder Spaltspiegel und projiziert die nicht betroffene Seite auf die betroffene Seite, wodurch die Illusion eines vollständigen, symmetrischen Gesichts entsteht. Dies soll den Patienten in eine positive und motivierende Umgebung versetzen, während er die Übungen mit ausreichender Wiederholung durchführt, um langfristige synaptische Veränderungen zu bewirken.³⁷

Virtuelle, erweiterte und gemischte Realität in der plastischen Chirurgie

Virtuelle Realität (VR) ist die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Realität in einer in Echtzeit computergenerierten interaktiven virtuellen Umgebung. Mit anderen Worten: Es handelt sich um eine vollständig immersive Erfahrung, bei der der Nutzer die reale Umgebung hinter sich lässt und über ein VR-Headset eine vollständig digitale Umgebung betritt. Im Gegensatz dazu erlebt ein Nutzer in der erweiterten Realität («Augmented Reality», AR) virtuelle Objekte, die der realen Umgebung über Smartphones, Tablets und Head-up-Displays über AR-Brillen oder -Displays überlagert werden. «Mixed Reality» arbeitet mit digitalen Overlay-Displays, die interaktive Hologramme in das Sichtfeld des Nutzers projizieren. Diese Technologien bieten Ärzten einen freihändigen Echtzeitzugang zu Internetressourcen, vorgefertigten Inhaltsumgebungen oder sogar elektronischen Krankenakten. VR ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das zunehmend in der chirurgischen Ausbildung für laparoskopische Eingriffe eingesetzt wird.^38,39 Mit AR-Brillen können Chirurgen Details von Ultraschall-, Röntgen- oder MRT-Bildern direkt in den Operationsbereich projizieren.⁴⁰ Diese Funktion kommt den Auszubildenden bei technisch sensiblen Eingriffen zugute, indem das Operationsfeld mit patientenspezifischen klinischen Informationen (z.B. Lappenperfusion oder Tiefe und Lage von Gefässen) überlagert wird,⁴¹ was sich nachweislich positiv auf die Lernkurve und die Verbesserung der grundlegenden psychomotorischen Fähigkeiten im Operationssaal auswirkt.^42–44 Radiologische 3D-VR-Trainings in der Anatomie können durch die Umwandlung von 2D-Bildern in ein 3D-Modell unter Verwendung spezieller Algorithmen durchgeführt werden.⁴⁵ Bei hochspezialisierten und komplexen Operationen wäre es für Ärzte und Patienten von Vorteil, für jede einzelne Gesichtslähmungsoperation individuell zu trainieren. Für jede spezifische Gesichtslähmungsoperation können Regionalmodule mit Eingaben zur Steuerung der Rotations- und Translationsbewegung von 3D-Modellen im virtuellen Raum erstellt werden. Die 3D-Modelle können so gerendert werden, dass die Benutzer die 3D-Modelle durch Neigung des Kopfes und Eingabe des Controllers erkunden können, um die wesentlichen Schritte und Strukturen während jedes chirurgischen Eingriffs zu visualisieren. Diese modularen VR-Schulungen werden die pädagogische Interaktivität erhöhen ( www.facialpalsy.eu ). VR bietet einen reichhaltigen, interaktiven und fesselnden Ausbildungskontext, der «learning by doing» und das intuitive Verständnis anatomischer Strukturen im 3D-Raum unterstützt. Die verbesserte Lernkurve steigert das Interesse und die Motivation und unterstützt wirksam die Wissensspeicherung und den Erwerb von Fähigkeiten.⁴⁶ Die Vorteile mikrochirurgischer VR-Simulatoren sind endlose Wiederholungen von Operationen, eine sichere Umgebung für Auszubildende und Patienten, eine Rückkehr zum Trainingsprogramm, wo immer der Benutzer es verlassen hat, mögliche stressfreie Bedingungen für bestes Lernen und reduzierte Kosten im Vergleich zu denjenigen, die mit der Aufrechterhaltung von tierbasiertem und leichenbasiertem chirurgischem Training verbunden sind.⁴⁷ In der heutigen Gesellschaft wächst das Interesse an sichereren Arbeitsplätzen für Patienten und medizinisches Personal. Der Bedarf an einer kosteneffizienten Ausbildung von Personal und die Nutzung von Live-Daten als Trainingsmodule zur Modellierung bestimmter chirurgischer Szenarien steigen. Die virtuelle chirurgische Planung (VSP) ist eine sich entwickelnde Technologie, die die rekonstruktive Chirurgie mit erhöhter rekonstruktiver Genauigkeit, schnelleren chirurgischen Verfahren und verbesserten Ergebnissen erweitern wird.⁴⁸ AR wurde bereits erfolgreich für die präoperative Planung und Durchführung verschiedener plastisch-chirurgischer Eingriffe eingesetzt.^49,50

Diskussion und Fazit

Obwohl im Laufe der Zeit bereits zahlreiche Forschungsarbeiten zur Analyse von Gesichtsbewegungen durchgeführt worden sind, hat sich bisher noch keine objektive Methode zur Bewertung des Gesichts durchgesetzt. Die Ergebnisse der chirurgischen Therapie sind daher schwer oder gar nicht vergleichbar.⁵¹ Subjektive Methoden zur Klassifizierung von Gesichtslähmungen, wie die House-Brackmann-Skala und das Sunnybrook Facial Grading System, sind zuverlässig und einfach anzuwenden. Da es sich bei diesen Systemen jedoch um beobachterabhängige und somit subjektive Einschätzungen handelt,⁵² weisen sie eine ausgeprägte Variabilität zwischen den Probanden und zwischen den Beobachtern auf.⁵³ Das schränkt den klinischen Einsatz solcher subjektiven Analyseinstrumente ein, insbesondere bei der Planung von Behandlungen oder der Bewertung von Interventionen.⁵⁴

Die Technologien haben sich in den letzten Jahrzehnten rasant entwickelt und führen Chirurgen in eine neue Ära der Möglichkeiten, die die Arbeit als Chirurg, die Ausbildung, die präoperative Planung, den Vergleich von Ergebnissen und die Kommunikation mit den Patienten verändern wird. Technologien, die in 3D- und 4D-Bildgebungssystemen sowie in virtueller, erweiterter und gemischter Realität zum Einsatz kommen, sind auf dem Vormarsch und werden allmählich klinisch angewandt. Es sind jedoch weitere Studien und Nachweise erforderlich, um die Praxistauglichkeit dieser Systeme für die Routinearbeit zu definieren.

Quelle:

Literatur: