 Ein neues Lächeln aus dem Computer
Mathematiker simulieren komplizierte Operationen am Kiefer schon vor dem Eingriff auf den Millimeter genau
Von Klaus Oberzig
Siegeszug der virtuellen Chirurgie: Bislang galten chirurgische Operationen am Gesicht als riskante Sache, denn die Patienten wussten oft nicht, ob sie lebenslang die Spuren der ärztlichen Kunst tragen würden. Mathematiker des Berliner Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik (ZIB) haben in Kooperation mit Medizinern des Münchener Uniklinikums Rechts der Isar ein computerunterstütztes Therapie- und Operationsplanungsverfahren entwickelt, mit dem sich schwierige Operationen vor dem Eingriff am Computer simulieren und planen lassen.
Eine Neuheit ist dabei die Mimiksimulation auf der Basis eines anatomisch korrekten Modells. Auf gut deutsch: Mit dem 3D-Planungssystem kann nicht nur die Arbeit der Operateure am Knochen verbessert werden, sondern gleichzeitig die Auswirkung ihres handwerklichen Tuns auf die Weichteile des Gesichts überprüft werden. Sogar die Patienten können in die präoperative Phase einbezogen werden und ein Wörtchen über ihr zukünftiges Aussehen mitreden.
Möglich wird das durch eine starke 3D-Visualisierung des Systems, das nicht nur die Knochen, sondern auch die darüber liegenden Weichteile simulieren kann. Ein unschätzbarer Vorteil, denn Gesichtszüge und Mimik eines Menschen sind einer der wichtigsten Bestandteile seiner Persönlichkeit.
„Wir sind so weit, dass wir exakt berechnen können, wie das Gesicht des Patienten nach der Operation aussieht“, erläutert Prof. Peter Deuflhard, Chef der Berliner Denkschmiede. Die Mathematiker nutzten dafür ein ausgefeiltes System von Gleichungen und Modellierungen, um dies zu berechnen. Es handle sich dabei um schwierige Differentialgleichungsprobleme, erläutert der Mathematikprofessor.
 Am Klinikum Rechts der Isar in München werden diese äußerst schwierigen Operationen zwar routinemäßig durchgeführt, sind aber immer noch eine große Herausforderung für die Ärzte. Oftmals handelt es sich bei den Patienten um Menschen, die durch angeborene Fehlbildungen, nach Tumorbehandlungen oder Unfällen schwer entstellt sind. Während der Operation müssen Knochen zersägt, neu angepasst oder in extremen Fällen um mehrere Zentimeter versetzt werden. Es sind riskante Eingriffe, die besonders intensiv geplant werden müssen.
Hier zu entscheidenden Fortschritten beizutragen, ist für die Wissenschaftler des ZIB eine spannende Aufgabe. In enger Kooperation mit den Münchner Chirurgen gingen sie daran, das neuartige 3D-Planungssystem auf Basis der schon vorhandenen Software „Amira“ zu entwickeln. „Amira“ ist ein 3D-Visualisierungstool für wissenschaftliche und medizinische Daten mit vielfältigen Funktionen zur 3D-Bildanalyse und Geometriekonstruktion, Gittergenerierung und 3D-Visualisierung, das gleichfalls am Berliner ZIB entwickelt wurde und inzwischen weltweit vertrieben wird.
Die Chirurgen, IT-Spezialisten und Mathematiker konnten das Computerprogramm so weit verfeinern, dass sich der dreidimensionale Schädel mit allen Muskeln und Knochen aus computertomographischen Daten im Rechner darstellen lässt. Aus dem CT-Bild heraus übernimmt der Computer den Schädel und die Muskeln Schicht für Schicht.
Planten die Ärzte bislang an zweidimensionalen Profilbildern oder Kunststoffmodellen, so können sie dies jetzt am virtuellen Schädel tun und die Folgen jedes einzelnen Schrittes abschätzen. Voraussetzung ist allerdings, dass der Computer alle Bilder in Sekundenschnelle aufbaut. Mit modernen Rechnern alleine wäre das nicht zu bewältigen. Es hängt vor allem an schnellen Rechenalgorithmen und genau die sind eine Domäne der Berliner Mathematiker.
Immerhin müssen die Computer innerhalb weniger Sekunden mathematische Gleichungen „mit einigen Hunderttausend bis Millionen unbekannten Größen lösen“, wie Prof. Deuflhard erklärt.
Bei der dreidimensionalen Darstellung lässt sich der Kopf des Patienten im Computer beliebig drehen, Teile des Schädels wie der Unterkiefer lassen sich zudem virtuell bewegen. Auf diese Weise kann der Chirurg einzelne Passagen der Operation durchspielen, auch mit veränderter Schnittführung und Gewebeabtrag, um kosmetische Beeinträchtigungen zu vermindern. Aufbauend auf dem virtuellen Schädel modelliert der Computer die darüber liegenden Weichteile so genau, dass kaum erkennbaren Abweichungen zur Realität mehr auftreten.
Das System ist nach Aussagen des ZIB inzwischen so weit, dass sich eine komplette OP-Planung an einem Arbeitstag durchführen lässt, d.h. Segmentierung der tomographischen Bilddaten und Generierung eines anatomisch korrekten Planungsmodells, Knochenschnittplanung, Knochenumstellung und Simulation der daraus resultierenden Weichgewebeanordnung.
Für den chirurgischen Alltag wird das zukünftig bedeuten, dass der Operateur und sein Team unterschiedliche Optionen und Varianten komplett durchspielen können, bei Bedarf können sie den Ablauf mehrfach „üben“. Als Ergebnis entsteht nicht nur eine größere Sicherheit bei der Operation selbst, auch das Aussehen des Patienten kann viel besser modelliert werden, als beim konventionellen Vorgehen, bei dem es im wahrsten Sinne des Wortes nur einen Versuch gab.
 Der virtuelle Patient, einer von vier Fällen, den die Wissenschaftler im Münchner Klinikum in ihren Rechnern erstehen ließen, war nach dem Vorbild eines jungen Patienten entstanden. Der 14jährige Michael hatte durch eine Fehlbildung des Unterkiefers starke Probleme beim Kauen und Atmen. Ein Eingriff war daher unumgänglich geworden. Nicht nur der „knochenverlagernde Eingriff“, wie die Mediziner dies nennen, war erfolgreich. Abweichungen des neuentstandenen Kiefers von den Plandaten der Operateure waren optisch praktisch nicht erkennbar. Die tatsächlichen Werte ließen sich postoperativ durch einen Vergleich der aus der CT neu gewonnenen mit den Plandaten errechnen. Sie seien, wie Peter Deuflhard stolz vermerkte, im unteren Zehntelmillimeterbereich.
Aber auch die Weichteilsimulation war erfolgreich. Der junge Michael hat einen großen Teil seiner Entstellung verloren, ein unschätzbarer Vorteil für den Einstieg in eine Rehabilitation.
Dieser Erfolg hat seine Ursache in der Simulation der Muskelkontraktionen. Die Muskeln werden dabei nicht als lineare Verbindung zwischen ihren Ansatzpunkten modelliert, sondern in ihrer vollständigen, dreidimensionalen Geometrie, wie sie den Bilddaten zu entnehmen ist. Für die makroskopische Modellierung sei dabei lediglich von Bedeutung, dass Zugkräfte in den Muskeln entlang der Tangenten zu den Muskelfasern gerichtet sind.
In dem von den Mathematikern entwickelten Modell wird der Verlauf der Muskelfasern anhand der Informationen über die Form und die Ansatzflächen eines Muskels bestimmt. Diese werden „aus dem patientenspezifischen Modell der inneren, gewebetrennenden Grenzflächen“ gewonnen. Allerdings, so schränken die Wissenschaftler ein, wurden für diese Mimiksimulationen erst einmal die beiden Gesichtsmuskeln berücksichtig, die für das Lächeln ausschlaggebend sind. Ein anatomisch korrektes Modell der gesamten mimischen Muskulatur und die Simulation unterschiedlichster Gesichtsausdrücke bleibe der weiteren Arbeit vorbehalten.
Mit diesen mathematischen Details wird ein grundsätzlicher Trend deutlich, der nicht nur in der computerunterstützten Chirurgie zu beobachten ist. Setzte man früher primär auf schnelle Rechner und verband mit der Entwicklung ständig verbesserter Hardware die Hoffnung, neue Wege bei den Anwendungen gehen zu können, so hat sich dies als zu eindimensional erwiesen.
Neue Lösungswege aus der Angewandten Mathematik, also „eine neue, speziell für die jeweiligen Anwendungen entwickelte Mathematik“, wie sich Peter Deuflhard ausdrückt, bilden stattdessen die Grundlage für die sprunghafte Innovation bei vielen Technologien und Verfahren, die wir gegenwärtig erleben. Dies wird in und von interdisziplinären Teams unter Einbeziehung von Mathematikern bewerkstelligt, ein Vorgehen, das die „alten“ Fächergrenzen endgültig hinter sich lässt und die Grundlage für schnelle und gezielte Innovation bildet. Damit rückt die „stille Hilfswissenschaft Mathematik“, wie sie von vielen immer noch gesehen wird, mehr und mehr in eine zentrale Position bei der beschleunigten Entwicklung der Schlüsseltechnologien, mathematische Forschung und Entwicklung wird selbst zur „Schlüsseltechnologie“.
DFG-Forschungszentren Mit den Forschungszentren will die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) den Anschluss an die internationale Spitzenforschung in den Vereinigten Staaten und England sicherstellen. Ihr Ziel ist es, dem hochkarätigem wissenschaftlichem Nachwuchs in Deutschland exzellente Arbeitsbedingungen zu bieten. Die Zentren bauen auf lokalen Forschungskapazitäten auf und können für maximal zwölf Jahre gefördert werden. Die Anträge werden für vier Jahre gestellt bzw. bewilligt und können, nach Überprüfung der Leistungen durch die DFG, zwei mal verlängert werden. Die Gelder stammen aus der Versteigerung der UMTS-Lizenzen, die dem Bund seinerzeit etliche Milliarden Euro einbrachte. Bisher sind neben dem Berliner DFG-Forschungszentrum „Mathematik für Schlüsseltechnologien“ vier weitere Zentren eröffnet worden. Im vergangenen Jahr waren dies: „Ozeanränder“ an der Universität Bremen, „Funktionelle Nanostrukturen" an der Universität in Karlsruhe und „Experimentelle Biomedizin - Target Protein Research“ an der Universität in Würzburg. Im Juni dieses Jahres eröffnete sie das fünfte Forschungszentrum zur Molekularphysiologie des Gehirns in Göttingen. |
Es ist deshalb kein Zufall, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bei der Einrichtung ihrer neuen, auf Spitzenpositionen im Weltmaßstab zielenden Forschungszentren, eines der Mathematik gewidmet hat. Dieses nennt sich Forschungszentrum „Mathematik für Schlüsseltechnologien – Modellierung, Simulation und Optimierung realer Prozesse“ und wurde im Herbst 2002 in Berlin angesiedelt. Kein Zufall ist es auch, dass das „Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik“ (ZIB), neben den drei Berliner Universitäten, der Freien Universität, der Technischen Universität, der Humboldt Universität und dem „Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik“ (WIAS), eine der Trägereinrichtungen des Zentrums ist.
Denn Angewandte Mathematik in der Medizin ist ein Schwerpunkt des neuen Berliner Forschungszentrums „Mathematik für Schlüsseltechnologien“ und findet sich in vielen Arbeits- und Forschungsschwerpunkten der Berliner Mathematik wieder.
Doch zurück zum 3D-Therapieplanungssystem. Da ist die Entwicklung noch längst nicht abgeschlossen. Schließlich, so die Vision, soll die computerunterstützte 3D-Operationsplanung, mit der sich grundsätzlich auch andere Eingriffe am Gesichtsschädel durchführen lassen, einmal weltweit zum Alltag der Operateure gehören. Die Simulation individueller Gesichtsmimiken auf der Basis eines muskelbasierten Modells wird von den Berliner Mathematikern weitergeführt.
Ziel ist die Übertragung auch auf andere Patientenmodelle, sodass über die Abschätzung der post-operativen statischen auch dynamische Gesichtsformen angegangen werden können. Denn Simulation von Muskelaktivitäten und deren Auswirkungen auf das Gesicht eines Menschen ist auch für andere Fachrichtungen, insbesondere auch für die plastische Chirurgie von großem Interesse. Vielleicht verdanken wir ja einmal ein neues Lächeln dem Wissen und Können der Mathematiker. 
 Klaus Oberzig
ist Wissenschaftsjournalist aus Leidenschaft und Mitglied der Agentur Scienzz.com
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