Artec Eva zur präzisen Messung von Verschiebungen im Weichgewebe des Gesichts

3D-Scanner

Artec Eva

Inhaltsangabe: Die genaue Messung von Veränderungen im Weichgewebe des Gesichts war eine große Herausforderung bei der Arbeit mit Patienten sowohl vor als auch nach einer Operation. Methoden wie MRT, CT und CBCT erwiesen sich als nicht so genau, wie erhofft.

Das Ziel: Mit einem tragbaren 3D-Scanner die Weichteile des Gesichts zu scannen, während der Patient steht, sitzt und liegt. Dann diese Scans für präzise Vergleiche und Analysen zu verwenden.

Verwendete Werkzeuge: Artec Eva, Artec Studio

Im Rahmen einer kürzlich durchgeführten Studie der Akdeniz-Universität in Ankara spielte Artecs 3D-Scanner Eva eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung einer genauen Methode zur Beobachtung des Verhaltens von menschlichem Gesichtsweichgewebe in Abhängig von der Körperhaltung.

Seit Jahren verlassen sich medizinische Experten auf konventionelle kelaphometrische Technik, um Proportionen von Kopf und Gesicht zu untersuchen. Dabei werden Scanning-Technologien wie Magnetresonanztomographie, Computertomographie oder digitale Volumentomographie eingesetzt. Allerdings können, wie die türkischen Experten von der Akdeniz-Universität argumentieren, mit solchen traditionellen Methoden erhobenen Ergebnisse am Ende voller Ungenauigkeiten sein. Denn wenn biometrische Daten aus verschiedenen Erhebungsquellen in der klinischen Praxis gesammelt, zusammengebracht und analysiert werden, treten erhebliche Messdiskrepanzen zu Tage. Dies wird bei der Auswertung jedoch bisher selten berücksichtigt, wodurch sich für die Medizin jedes Mal eine wahrhafte Büchse der Pandora öffnet.

In einem Vergleichstest mit Magnetresonanztomographie oder digitaler Volumentomographie erwies sich der Strukturlicht-3D-Scanner Artec Eva, den die Universität von Artecs türkischem Partner Teknodizayn erworben hatte, als möglicher Wegbereiter für eine Minimierung von Messdiskrepanzen. Die Tragbarkeit und Flexibilität des Scnners machen ihn unanfällig für Beschränkungen, die man mit traditionellen Technologien noch in Kauf nehmen musste. Anders als Eva erfordert es die aktuell gängige medizinische Technologie, dass der Patient beim Erfassen der biometrischen Daten eine stehende, sitzende oder liegende Position einnimmt und in dieser verharrt. Derartige Einschränkungen für Patient und Behandelnden werden mit Eva praktisch vollständig virulent. Die Möglichkeit, praktisch aus jedem Winkel zu scannen vergrößert die Bandbreite an erfassbaren Daten, was letztendlich präzisere und verlässlichere Auswertungsergebnisse möglich macht.

In ihrer Studie mit dem Titel “Effect of Sitting, Standing, and Supine Positions on Facial Soft Tissue: Detailed 3D Analysis,” befassten sich U. Ozsoy, R. Sekerci, and E. Ogut von der Abteilung für Anatomie der Fakultät für Medizin mit einige Schlüsselfragen sowohl hinsichtlich Verschiebungen biologischen Gewebes als auch medizinischer Visualisierungsmethoden.

Die Frage war, welche Verschiebungen sich bei der Position des Gesichtsweichgewebes abhängig von verschiedenen Haltungen des Körpers beobachten ließen. Und welche Bedeutung diese Verschiebungen für medizinische Analyse und Abläufe haben.

Zunächst wollten die Forscher das komplexe Verhalten menschlichen Weichgewebes untersuchen. Dabei konzentierten sie sich besonders auf das Ausmaß von Gewebeverschiebungen im Verhältnis zu drei verschiedenen Körperhaltungen während des Scannens: im Stehen, im Sitzen oder in Rückenlage. Die Frage war, welche Verschiebungen sich bei der Position des Gesichtsweichgewebes abhängig von verschiedenen Haltungen des Körpers beobachten ließen. Und welche Bedeutung diese Verschiebungen für medizinische Analyse und Abläufe haben.

Die zweite und vielleicht wichtigere Fragestellung der Studie geht die Wurzel eines Problems an, dem praktizierende medizinische Experten zwangsläufig begegnen: Technologien. Sämtliche gängigen Standarttechniken für Gesichtsvermessungen treffen auf verschiedene von äußeren Faktoren bedingte Einschränkungen. Bei komplizierten Prozeduren, für die akkurate Daten zu Gesichtsweichgewebe benötigt werden, wird das Grad an Verlässlichkeit der gewählten Methode durch die Möglichkeit, den Effekt äußerer Faktoren zu minimieren oder gar vollständig auszumerzen, bestimmt.

In der Studie der türkischen Experten wird Schwerkraft als ein beitragender Faktor ausgemacht.

In der Studie der türkischen Experten wird Schwerkraft als ein beitragender Faktor ausgemacht. Obwohl sie auf den Körper Kraft ausübt, gilt ihre Bedeutung bei den meisten Vorhaben als eher zu vernachlässigen. Auf Gesichtsweichgewebe allerdings hat die Schwerkraft enorme Auswirkungen. Die Studie ging von der Annahme aus, dass mit bisher gängigen Scanningmethoden erhobene Daten unter Berücksichtigung des jeweils unterschiedlichen Einflusses der Schwerkraft abhängig von der Haltung des gescannten Körpers analysiert werden müssen.

Um den bemerkenswerten Effekt der Schwerkraft auf menschliches Gesichtsweichgewebe zu studieren, bildeten die Forscher eine Testgruppe mit 35 Frauen und 35 Männern im Alter zwischen 19 und 24 Jahren. Zur Ermittlung des Einflusses, den Schwerkraft auf Position, Form und Volumen von Gesichtsweichgewebe hat, musste es auf irgendeine Weise zunächst abgesteckt werden. Mit einem Kugelschreiber markierten die Forscher 35 Punkte direkt auf dem Gesicht jedes Teilnehmers, um die Oberfläche zu segmentieren. Die Forscher sprachen hier von „Wegmarken“. Nachdem die Oberfläche des Gesichts sorgfältig „kartographiert“ worden war, konnte das medizinische Team Veränderungen am Kopf der Patienten anhand von Scans in unterschiedlichen Kopfhaltungen beobachten. Eva lieferte mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1mm und einer 3D-Auflösung von bis zu 0,5mm. Diese Zahlen spielten eine Schlüsselrolle für die Beantwortung der wichtigsten in der Studie formulierten Fragestellungen.

Scanning einer Person mit Artec Eva (A) im Sitzen, (B) im Stehen und (C) in Rückenlage

Sobald die 3D-Bilder erstellt und in Artec Studio geladen worden waren, wurden der Scan für jede Position jeweils manuell angeglichen. Die Wissenschaftler mussten einen Weg finden, um die Scan-Serie jedes einzelnen Patienten als Ganzes darzustellen. Dabei orientierten sie sich am sogenannten mittleren Endocanthion-Punkt. Der angeblich „statistisch stabilste Punkt im Gesicht“ befindet sich genau zwischen den beiden inneren Augenwinkeln. An ihm konnten die Wissenschaftler x-, y- und z-Achse festmachen, was den Transversal-, Vertikal- und Sagittalebenen des Kopfes entsprechen sollte.

Sobald alle Punkte auf einander abgestimmt waren und eine digitale „Gesichtsmaske“ bildeten, nutzten die Forscher den Algorithmus für Oberflächenkartierung in Artec Studio, um den Scan-Satz zusammenzufügen. Die Wegmarken brachten die Scans einheitlich in eine gemeinsame Position und Ausrichtung. Nun konnten die Experten Unterschiede bei Verschiebungen zwischen den sitzenden, stehenden und der Rücklage-Haltung durch Analyse der x-, y- und z-Achse nachverfolgen. Die Gesichtsmasken wurden digital aufgesetzt, um die Verschiebungen der Wegmarken anzuzeigen, wodurch wiederum Verschiebungen in Position und Beschaffenheit des Gewebes sichtbar wurden.

Farbige Karten zur Anzeige von Abweichungen von Maske zu Maske, gewonnen aus dem Überziehen von Gesichtsmasken (A) in sitzender und stehender Körperhaltung, (B) sitzender und Rücklagen-Körperhaltung und (C) in stehender und Rücklagen-Körperhaltung. Die Farbabweichungen auf den Karten von Blau, was negativer Entfernung entspricht, zu Rot, was positiver Entfernung entspricht. Grün bedeutet, dass die Entfernung zwischen den Oberflächen an dem entsprechenden Punkt annähernd Null ist.

Mit Hilfe von GraphPad Prism Version 6.05 führten die Wissenschaftler die notwendige statistische Analyse durch. Die Wegpunkte mussten nach Standardabweichungen untersucht werden, um die Oberflächenverschiebungen genauer zu bestimmen. Ebenfalls einkalkuliert wurden relevante numerische Daten wie Effektivwert, mittlere absolute Abweichung und mittlere „Signed Distance“, um „die Variabilität in Form und Volumen der Oberflächen“ zu ermitteln. Dies verschaffte den Forscher numerische Beweise für Veränderungen des Gesichtsweichgewebes durch Einfluss der Schwerkraft, was medizinische Scanning-Ausrüstung aber nur unzureichend erkennt.

3D-Analysen des Gesichtsweichgewebes offenbarten signifikante Unterschiede zwischen der Sitzend-in-Rückenlage- und der Stehend-in-Rückenlage-Position. Demgegenüber waren die Unterschiede beim Vergleich der Position im Sitzen und der im Stehen auf allen Achsen eher gering. Darüberhinaus ergab die Analyse eine unterschiedliche Anfälligkeit der Wegmarken gegenüber der Körperhaltung.

Die Anwendungsfeld des Experiments erstreckt sich auf medizinische Beratung und Praxis im Allgemeinen, und im Besonderen auf Mund- und Gesichtschirurgie.

Die Anwendungsfeld des Experiments erstreckt sich auf medizinische Beratung und Praxis im Allgemeinen, und im Besonderen auf Mund- und Gesichtschirurgie, wo selbst kleinste Fehlkalkulationen in Fehler mit enormem Schadensausmaß resultieren können. Eine akkurate Bewertung des Gesichtsweichsgewebes in Vor- und Nachuntersuchung hat folglich bedeutende Auswirkungen auf das Gesamtresultat.