Brauch

Aug 11, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11985 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Alle Arten von Kranioplastiktechniken stellen die Morphologie des Schädels wieder her und wirken sich auf die Ästhetik des Patienten aus. Um die Genesung und den Rehabilitationsprozess der Patienten zu verbessern, sind sichere und einfache Techniken erforderlich. Wir schlagen eine neue Methode der Kranioplastik vor. Die dreidimensionale (3D) Rekonstruktion eines Dünnschicht-Computertomographie-Scans (CT) des Schädels wurde verwendet, um die intakte Seite auf den Defekt zu spiegeln und die überlappenden Punkte voneinander zu subtrahieren. Auf diese Weise kann ein 3D-Modell des geplanten Implantats in der benötigten Form und Größe erstellt werden. Der genaue Sitz des Implantats kann durch Abdrucken des defekten Schädelteils überprüft werden, falls dieser verändert werden kann. Anschließend wurde auf Basis des fertigen Modells eine sterilisierbare Silikonform erstellt. Polymethylmethacrylat-Implantate wurden während der Operation direkt in einer aseptischen Umgebung im Operationssaal hergestellt. Zwischen 2005 und 2020 führten wir 54 Kranioplastiken bei 52 Patienten durch, deren Kraniotomien zuvor aufgrund von Hinweisen auf ein Schädel-Hirn-Trauma, Schlaganfall oder Tumoroperationen durchgeführt wurden. Während des Betriebs wurden keine technischen Probleme festgestellt. In 2 Fällen waren septische Komplikationen nicht mit der Technik selbst verbunden und die Implantate wurden entfernt und später ersetzt. Unsere vorgeschlagene Technik, die auf 3D-gedruckten individuellen Silikonformen basiert, ist eine zuverlässige, sichere, leicht reproduzierbare und kostengünstige Methode zur Reparatur verschiedener Schädeldefekte.

Zur Reparatur und präzisen Rekonstruktion von Schädeldefekten wurden verschiedene Techniken entwickelt. Die Herausforderungen dieser Techniken hängen vom Einzelfall ab und die institutionell entwickelten Methoden können für bestimmte Patienten unzureichend sein1,2,3. Das manuelle Formen mit Polymethylmethacrylat (PMMA) ist die einfachste Methode zur Defektabdeckung. Bei kleineren Defekten mit nahezu ebenen Oberflächen an leicht zugänglichen Stellen ist diese Methode weiterhin anwendbar. Zur Abdeckung größerer Flächen können unterschiedliche Titanimplantate eingesetzt werden, allerdings kann die Komplikationsrate langfristig die Indikation verschleiern, wenn eine plastische Rekonstruktion der Haut erforderlich ist.

Die zunehmende Verfügbarkeit des dreidimensionalen (3D-)Drucks war ein Wendepunkt im Bereich der individuellen Osteoplastik und insbesondere für die Kranioplastik4,5,6. Operationen nach traumatischen Hirnverletzungen und der weit verbreitete Einsatz der Dekompression bei Schlaganfallpatienten haben die Nachfrage nach Kranioplastiken erhöht. Es müssen einfache, chirurgenfreundliche, reproduzierbare und kostengünstige Techniken entwickelt werden. An der Universität Debrecen wird seit 2005 ein Kranioplastikverfahren angewendet, das auf einem speziellen 3D-Druckverfahren basiert und sich auch für komplizierte Geometrien gut eignet. Bei diesem Verfahren drucken wir zunächst ein Muster aus, das der Form und Größe des geplanten Ersatzes entspricht; Anschließend stellen wir auf Basis dieses Modells eine Silikonform her, aus der wiederum während der Operation ein Ersatz aus PMMA hergestellt werden kann.

Wir führten 54 Kranioplastiken bei 52 Patienten durch. Das Verhältnis Männer/Frauen betrug 2,46 und das Durchschnittsalter betrug 40,2 Jahre (SD ± 13,41). Der jüngste Patient war zum Zeitpunkt der Kranioplastik 17 Jahre alt, der älteste 65 Jahre. Das mittlere Implantatvolumen betrug 52,19 cm3 (SD ± 27,37). Die mittlere Implantatoberfläche betrug 218,8 cm2 (SD ± 91,04). Alle Operationen wurden 3 Monate nach der Kraniektomie durchgeführt. Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

Bei Indikation zur Kranioplastik wurden hochauflösende CT-Aufnahmen mit einer Schichtdicke von 1 mm angefertigt. Die 3D-Rekonstruktion aus DICOM-Dateien wurde mit dem Softwaresystem Mimics® (Materialise, Belgien) durchgeführt. Im nächsten Schritt wurde eine geometrische Form generiert, die genau zum Defektbereich passte und die Originalkonturen nachbildete. Dies geschah größtenteils auf der Grundlage der Symmetrie des Schädels, indem seine intakte Hälfte durch die mittlere Sagittalebene gespiegelt wurde. Um den Zeitaufwand für die Berechnungen zu minimieren, haben wir die Teile der Modelle entfernt, die je nach Fall nicht wesentlich sind (Abb. 1). Die Form des Implantats der Kranioplastik wurde durch boolesche Subtraktion des Modells mit dem Defekt vom reflektierten Modell erhalten, das den intakten Schädel darstellt. Wenn der Defekt die Symmetrieebene schneidet oder der Ersatz aus anderen Gründen nicht durch Spiegelung erzeugt werden kann, erleichterte die Rücksprache mit dem Neurochirurgen die Planung. In zwei Fällen, in denen die bilaterale fronto-temporo-basale und bifronto-temporo-okzipitale Dekompression rekonstruiert werden musste, wurden die CT-Scans vor der Kompression im Planungsprozess verwendet. Nicht nur der Austausch, sondern auch das defekte Teil kann ausgedruckt werden, um vor der Operation die perfekte Passform zu überprüfen. Der Druck erfolgte auf Geräten vom Typ Connex 260 (Stratasys, USA) unter Verwendung der Objet-Technologie. Bei Bedarf kann das gedruckte Modell durch Schneiden, Fräsen und Schleifen noch präziser angepasst werden (Abb. 2). Es ist auch möglich, Sacklöcher hinzuzufügen, die den Bohrer bei Bedarf während des Betriebs führen können. Nachdem wir die Form des Modells festgelegt hatten, stellten wir eine Silikonform aus Protosil RTV 245 (Antropol, Deutschland) her, einem Zweikomponenten-Silikonmaterial, das nach dem Erstarren biologisch inert wird. Die Form ist transparent, hitzebeständig bis 200 °C und leicht sterilisierbar; außerdem haftet fest gewordenes PMMA nicht daran. Unter Berücksichtigung der Härte des verwendeten Silikons 40A Shore sollte die Dicke des Silikons um die Probe herum mindestens 12 mm betragen, um Verformungen beim Formen der niedrigviskosen Knochenzementmischung in die Form zu vermeiden. Nach dem Formen wird das Silikon 12 Stunden lang bei einer Temperatur von 50 °C gehalten, um eine vollständige Verfestigung zu erreichen. Alle Formen, die der Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) entsprechen (Abb. 3), sind gekennzeichnet. Durch den seitlichen Schnitt wird das Defektmodell entfernt. Durch den Zuschnitt lässt sich die Silikonform wie ein Buch öffnen und schließen, wobei besonderer Wert auf eine präzise Passform gelegt wird. Zur Validierung des Prozesses wird PMMA in die Form geformt und in das zuvor gedruckte Modell mit dem Defekt eingefügt. In beiden Fällen wurden keine makroskopischen Lücken beobachtet. Das endgültige Implantat wird im Operationssaal unter sterilen Bedingungen hergestellt. PMMA wird in die Form geformt (Abb. 4). Die Bildung des Knochenzements muss unmittelbar nach dem richtigen Mischen beginnen, um sicherzustellen, dass die Viskosität niedrig genug ist, um Verformungen zu vermeiden. Beim Formvorgang muss besonders auf die gleichmäßige Verteilung des Zements in der Form geachtet werden. Die Bildung von Luftblaseneinschlüssen kann durch die richtige Technik verhindert werden. Nach mindestens 10-minütiger Polymerisation wird die Form durch einen seitlichen Schnitt geöffnet und das Implantat lässt sich leicht entnehmen, ohne dass es zu einer Haftung am Silikon kommt. Im letzten Schritt des Eingriffs wird das Implantat mit kleinen Platten oder transossären Nähten durch kleine Bohrlöcher am umliegenden Knochen befestigt. Die Hauptschritte des Verfahrens sind in Abb. 5 dargestellt.

3D-Rekonstruktion basierend auf CT-Scans und dem Designprozess unter Verwendung der Spiegelungstechnik. Das Bild wurde von den Autoren mit der Software Materialise Mimics 21.0 erstellt (URL: https://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite).

Das 3D-gedruckte Schädelsegment und der Ersatz. Die Fotos wurden von den Autoren gemacht.

Die Silikonform mit der Identifikationsnummer. Die Fotos wurden von den Autoren gemacht.

Der Ersatz erfolgte mit PMMA. Die Fotos wurden von den Autoren gemacht.

a und b Präoperative und postoperative Bilder verschiedener Patienten, die mit unserer Methode behandelt wurden. Die Fotos wurden von den Autoren gemacht. Das Bild wurde von den Autoren mit der Software Materialise Mimics 21.0 erstellt (URL: https://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite).

Das Versuchsprotokoll wurde von der regionalen und institutionellen Ethikkommission des Klinikzentrums der Universität Debrecen genehmigt (DE RKEB.IKEB 6371-2023).

Die Einverständniserklärung aller in die Studie einbezogenen Einzelteilnehmer wurde zum Zeitpunkt des Krankenhausaufenthalts wegen einer Operation eingeholt.

In allen Fällen wurde die Technik bei den Operationen erfolgreich eingesetzt. Vierunddreißig Implantationen wurden nach einem Schlaganfall durchgeführt, vier nach der Tumorentfernung und 16 nach einer traumatischen Hirnverletzung. Zwei Patienten hatten bilaterale Implantate, eines davon bestand nach bifronto-temporo-basaler Kraniektomie aus einem Stück. Zwei Patienten aus der Traumagruppe wurden wegen Wundinfektionen, die eine Entfernung des Implantats erforderlich machten, zweimal operiert. In diesen beiden Fällen wurde drei Monate später dieselbe Silikonform zur Herstellung des Implantats verwendet (Tabelle 1). Die Versorgung war ausreichend und die postoperative Kosmetik war in allen Fällen angenehm. Bei einem Patienten, bei dem nach mehrjähriger offener Schädel-Hirn-Verletzung ein Teil der vorderen Schädelbasis und der Stirnhöhle rekonstruiert werden musste, entwickelte sich nach zwei Wochen, als er sich die Nase putzte, eine kurze Periode eines epiduralen Pneumozephalus. Die Luft wurde innerhalb weniger Tage absorbiert, jedoch trat nach weiteren 3 Wochen ein weiteres Ereignis mit ähnlichem Verlauf auf. Die gemeldeten Komplikationen standen nicht im Zusammenhang mit der Technologie selbst.

Die Kranioplastik dient dem Schutz der zuvor freigelegten Nervenstrukturen und verschafft den Patienten eine kosmetische Zufriedenheit. Darüber hinaus verbessert es das neuropsychologische Ergebnis. Studien zeigen, dass eine frühere Wiederherstellung des Defekts zu einer fortschreitenden Verbesserung der Funktion des Patienten führt7. Nicht nur der Kreislauf kann zu normalen Bedingungen zurückkehren, sondern auch die Zirkulation der Liquor cerebrospinalis erholt sich. Zur Erfüllung dieser Zwecke wurden seit der Antike unterschiedliche Techniken und Materialien eingesetzt, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führten8,9. Von der technischen Seite erwarten Neurochirurgen eine ständige Verfügbarkeit, Reproduzierbarkeit und einfache Handhabung im Operationssaal. Aus Sicht des Patienten ist das implantierte Material der wichtigste Faktor für das Ergebnis.

Das Autotransplantat scheint das beste Material für die Kranioplastik zu sein, bei offenen Schädel-Hirn-Verletzungen ist es jedoch nicht möglich, den Knochen zu schonen. Darüber hinaus kann eine temporale subkutane Implantation zu einer erheblichen Resorption führen. Durch Tiefgefrieren könnte dieses Problem behoben werden, aber nach der Reimplantation ist immer noch eine Resorption zu beobachten10.

Metallimplantate haben Vorteile hinsichtlich Haltbarkeit und Infektionskontrolle. Sie sind präzise, ​​zuverlässig und alltagstauglich. Metalldruckverfahren können nur in Speziallaboren mit extrem hohen Kosten durchgeführt werden. Die direkte Herstellung des Implantats kann durch verschiedene Techniken erfolgen, beispielsweise durch selektives Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen, diese Methode steht jedoch praktisch nur wenigen ausgewählten Instituten zur Verfügung11.

Maßgefertigte Prothesen aus Hydroxylapatit weisen eine geringe Komplikationsrate auf. Die Spongiosa-Ultrastruktur ähnelt einem Diplo, die hohen Kosten schränken ihre Verwendung jedoch generell ein6.

Klammert et al.12 nutzten in ihren Pilotversuchen an Leichen Kalziumphosphat für den pulverbasierten 3D-Druck, das prinzipiell für eine direkte Implantation geeignet sein könnte, eine Anwendung dieser Methode in lebenden Organismen ist jedoch aufgrund von Infektionsproblemen noch nicht möglich machbar.

Kim et al.4 druckten eine spezielle, mit Kunststoff beschichtete Form, die die Herstellung von Ersatz während der Operation ermöglichte; Das Auftragen dieser Beschichtung auf die Form und die Sicherstellung der Keimfreiheit können jedoch kompliziert sein.

Kleine Defekte mit versteckten Stellen, z. B. nach neurovaskulärer Dekompression durch den retromastoiden Zugang, können durch manuelles Abformen durch die Verabreichung von PMMA gefüllt werden. Die maßgeschneiderten Techniken ermöglichen einen präziseren Austausch in größeren Bereichen und an problematischeren Stellen. 3D-Planung und präoperatives Drucken offenbaren einfach die Möglichkeit einer schlechten Passform5,6,12. Es ist kein Kaktuseffekt, wie z. B. bei Netzimplantation8,9, möglich. Jede Abweichung entsteht an der Oberfläche und die Kanten können leicht verschwimmen. Das Implantat kann mit Miniplatten oder allen handelsüblichen Geräten fixiert werden.

Die bei der Polymerisation des PMMA freigesetzte Wärme erwärmt das Silikon und eliminiert so die Gefahr schädlicher Auswirkungen der Wärmeentwicklung in der betroffenen Region vollständig. Sollte ein technisches Problem auftreten, kann die Herstellung des Implantats während der Operation wiederholt werden. Wenn die Form erhalten bleibt, kann sie bei Bedarf für eine Neupflanzung wiederverwendet werden. Ein weiterer Vorteil der Polymerisation in einer Form besteht darin, dass weniger Restmonomere direkt mit der Dura Mater in Kontakt kommen.

Die Technik der auf dem 3D-Druck basierenden maßgeschneiderten Kranioplastik mittels Silikonformung mit PMMA ist einfach und zuverlässig. Weitere Studien zur Silikonformung können in weiteren Studien untersucht werden. Dünnschicht-CT-Scans sind leicht erhältlich. Das computergestützte Design des Implantats führt zu einer hervorragenden Kosmetik. Die Planung umfasst eine symmetrische Spiegelung entlang der mittleren Sagittalebene des Schädels und folgt den Konturen des freigelegten Knochens. Durch den 3D-Druck des gesamten Schädels mit dem vorgefertigten Implantat kann das kosmetische Ergebnis präoperativ überprüft werden.

Zur Abdeckung von Schädeldefekten ist PMMA ein weit verbreitetes Material in der Neurochirurgie. Es ist steril und in einer weniger viskosen Form erhältlich; Somit können damit auch die einfachsten Defekte gefüllt werden. Die 3D-gedruckte Silikonform kann in Krankenhäusern problemlos und handelsüblich sterilisiert werden. Die Qualitätskontrolle ist beherrschbar, da die Sterilisation präoperativ gemischter und hergestellter PMMA-Implantate einige technische Standards mit sich bringt, die in Laboren mit kleineren Fallzahlen nicht eingehalten werden können. Die Operationszeit ist nicht länger als bei anderen Techniken, da für den Formvorgang nur die ursprüngliche Operationszeit benötigt wird, während der sich das PMMA voraussichtlich verfestigt, und der Eingriff von einer Krankenschwester durchgeführt werden kann.

Die leicht raue Oberfläche von PMMA sorgt für eine perfekte Haftung auf der Haut. Komplikationen können durch verschiedene Faktoren auftreten, ein Schädelersatz erhöht das Risiko jedoch nicht.13,14,15,16,17. Um chirurgische Komplikationen zu vermeiden, sollten allgemeine Grundsätze befolgt werden. Um weiteren Komplikationen vorzubeugen, sollten die Knochenränder vollständig freigelegt werden, da das Implantat entsprechend geplant wird. Es ist sehr wichtig, dass die Haut mit Respekt behandelt wird. Während des ersten Eingriffs sollte auch die Dekompression im Voraus geplant werden, wobei davon auszugehen ist, dass der Patient eine Rekonstruktion des Schädels benötigt18. In unseren Fällen haben wir akribisch auf die Infektionsprävention geachtet. War die Haut gebrochen oder vermutlich geschwächt, haben wir die Operation verschoben. Als institutioneller Standard ist eine Kranioplastik in der Regel 3 Monate nach der Kraniektomie indiziert. Die Patienten erhalten zu Beginn der Anästhesie einen Bolus präventiver intravenöser Antibiotika, der bei Bedarf nach 4 Stunden wiederholt werden kann, um eine Infektion zu verhindern. Bei Verdacht auf eine Kranioplastik erfolgt der Verschluss der Haut mit monofilen Materialien. Der Verschluss der Dura kann bei offenen Traumata ein Problem darstellen und bei der dekompressiven Kraniektomie sollte die Dura grundsätzlich offen bleiben. Während der Kranioplastik sollten die neu gebildeten Enzephalomyosynangiosen so weit wie möglich erhalten bleiben, um Blutungen, Liquorlecks oder eine Verzögerung der erwarteten Erholung bereits verminderter kortikaler Funktionen zu verhindern. Wenn wir auf alle möglichen bekannten Faktoren achten und diese beseitigen, die zu Komplikationen führen können, kann das Risiko einer Operation, wie z. B. einer Kranioplastik, minimiert werden.

Die Technik kann als sekundäre Option eingesetzt werden, z. B. in Fällen, in denen eine konventionelle Kranioplastik mit Komplikationen durchgeführt wurde. Die Sterilisation der Silikonform zu Hause und die intraoperative Aufbereitung von PMMA aus der Originalverpackung minimieren das Infektionsrisiko. Wir haben die Technik noch nicht in der pädiatrischen Bevölkerung eingesetzt, aber die Ergebnisse sind ermutigend für die Umsetzung.

Alle an diesen Eingriffen beteiligten Institutionen erfüllen die DSGVO-Richtlinien zur Datenverwaltung und -archivierung. Alle angeforderten Rohdaten wie anonymisierte CT-Scans und 3D-Modelle sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

György Falk: Die Autoren bedanken sich für die technische Unterstützung im 3D-Druck für die Varinex Zrt.

Open-Access-Finanzierung durch die Universität Debrecen. Das Projekt wurde vom Nationalen Büro für Forschung, Entwicklung und Innovation – NKFIH K113180 und einem Zuschuss des ungarischen Finanzministeriums und der Europäischen Union (GINOP 2.3.2-15-2016-00022) unterstützt.

Abteilung für orthopädische Chirurgie, Medizinische Fakultät, Universität Debrecen, Debrecen, Ungarn

Loránd Csámer, Zoltán Csernátony, Ágnes Éva Kovács, Hajnalka Soósné Horváth und Sándor Manó

Abteilung für Neurochirurgie, Gesundheitszentrum der Ungarischen Armee, Budapest, Ungarn

Viktor Zsolt Kővári

Abteilung für Neurochirurgie, Medizinische Fakultät, Universität Debrecen, Debrecen, Ungarn

László Novák

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LC: 3D-Modellierung, 3D-Druck. ZC: Einleitung der Empfängnis, Überwachung. LN: Klinischer Neurochirurg, der Kranioplastiken für Schädelrekonstruktionen verwendet. VZK: Klinischer Neurochirurg, der Kranioplastiken für Schädelrekonstruktionen einsetzt. Á.É.K.: 3D-Rekonstruktionen der CT-Scans, Silikonformung. HSH: 3D-Rekonstruktionen der CT-Scans, Silikonformung. SM: 3D-Modellierung, 3D-Druck.

Korrespondenz mit Loránd Csámer.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Csámer, L., Csernátony, Z., Novák, L. et al. Maßgeschneiderte 3D-Druck-basierte Kranioplastik unter Verwendung einer Silikonform und PMMA. Sci Rep 13, 11985 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38772-9

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Eingegangen: 18. Januar 2023

Angenommen: 14. Juli 2023

Veröffentlicht: 25. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38772-9

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