Dentale Implantatpositionierung mittels Augmented reality

Die dentale Implantologie stellt mittlerweile ein Standardverfahren in der Zahnmedizin dar. Die präzise und funktionell vorteilhafte Platzierung von dentalen Implantaten ist ein entscheidendes Element, das maßgeblich günstige prothetische und ästhetische Ergebnisse sowie die Langlebigkeit der Implantate beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden digitale Technologien in der computergestützten Implantatchirurgie (CAIS) eingeführt und verbessert, was zu reduzierten Ausfallraten und verbesserten Ergebnissen im Vergleich zur manuellen Chirurgie führt. Die Verwendung von dreidimensionalen (3D) Datensätzen ermöglicht eine optimale virtuelle Planung der dentalen Implantatplatzierung vor der Operation. Dieser Prozess beinhaltet die Überlagerung anatomischer Strukturen, intraoraler Situationen und prothetischer Behandlungsziele. Um eine präzise Reproduktion der virtuell geplanten 3D-Implantatposition während realer chirurgischer Eingriffe zu erreichen, können Chirurgen sowohl die statische computergestützte Implantatchirurgie (sCAIS) als auch die dynamische computergestützte Implantatchirurgie (dCAIS) nutzen. Zur Lehre dieser sehr komplexen Arbeitsabläufe, die eine fundierte Fachkenntnis voraussetzen, sind bereits Vorlesungen und Phantomübungen an Zahnmodellen etabliert worden. Hierbei ist eine Implantation an einem Kunstknochenmodell das etablierte Verfahren in der Ausbildung. Derzeit liegen aber keine Ansätze vor, das Ergebnis dieser Ausbildung systematisch und zeiteffizient zu evaluieren. Dies führt dazu, dass eine Optimierung der Implantatposition im Laufe der Ausbildung nicht möglich war. Mit dem hier entwickelten Verfahren kann der Student die vorher geplante Implantatposition visuell unter Zuhilfenahme eines konventionellen Smartphones darstellen und anschließend seine erreichte Implantatposition selbst überprüfen. Die Lücke zwischen der Planung eines dentalen Implantates und der erreichten Positionierung wird so für den Studierenden direkt sichtbar und durch die ermöglichte Eigenkontrolle des seines Handelns messbar.

Augmented Reality (AR) ist eine disruptive Technologie, die virtuelle digitale Bilder über die reale Welt legt. Die Arbeitsgruppe des Forschungszentrums CAD/CAM und digitale dentale Technologien an der Danube Private University hat eine App programmiert, mit der AR-Technologien für die dentale Implantatplanungen und die Implantatinsertion nahtlos in die tatsächliche Umgebung integriert werden. Diese Integration ermöglicht es Chirurgen, gleichzeitig auf Echtzeitinformationen der laufenden chirurgischen Eingriffe zuzugreifen. Durch die Möglichkeit des Screenrecordings können die Umsetzung der Implantatinsertion aufgezeichnet werden und später mit dem Lehrpersonal zeitunabhängig besprochen werden. Ein weiterer Vorteil von 3D-Implantatplanung und AR-Visualisierung besteht darin, dass umfassende chirurgische Vorbereitung und Planung während der Ausbildung von Studenten der Zahnmedizin und Zahnärzten vermittelt werden können. Studierende können die Implantatplanung mit ihren Lehrern im zunächst sicheren Abstand zum Patienten vornehmen und ohne Zeitdruck diskutieren. Dies wird zu reduzierten intraoperativen Risiken und erhöhten Erfolgsraten führen. Praktische Fähigkeiten sind in der Implantologie entscheidend, und es ist unbestreitbar, dass das Vorhandensein virtueller Hilfsmittel in der praktischen Ausbildung den Lernprozess verbessert. Die Machbarkeit, um einen hohen Grad an intraoperativer Präzision durch 3D-Planung für angehende Chirurgen zu erreichen, wurde bereits nachgewiesen. In einer in vitro Studie (Daten noch nicht veröffentlicht) konnte am Phantommodell bereits gezeigt werden, dass die Präzision der Implantatachse unter Nutzung der AR App signifikant genauer gegenüber der geplanten Position gesetzt werden konnt. Daher ist die Nutzung von AR in der Zahnmedizin ein äußerst wertvoller Aspekt in der Ausbildung von Studierenden, insbesondere auf dem Gebiet der Implantologie, da dieser Ansatz das Lehren und Lernen nicht nur chirurgischer und prothetischer Elemente, sondern auch der einzigartigen Aspekte der Dentaltechnologie in Echtzeit ermöglicht.

Um ein fortschrittliches CAD-entworfenes Schulungsmodell zu erstellen, das auf dem Frasaco-Modell basiert, welches weltweit in der zahnmedizinischen Ausbildung Verwendung findet, wurde Autodesk Netfabb 2021.1 verwendet. Dieses Modell wurde speziell entwickelt, um die zahnmedizinische Kennedy-Klasse 3 von Zahn 13 bis Zahn 23 nachzubilden. Ein wichtiges Merkmal des Modells war eine Ausnehmung im zahnlosen Raum, die in das Design integriert wurde, um die Einsetzung eines gefrästen Knochenblocks (sawbone), der die Festigkeit von Knochen hat, zu ermöglichen.

Das Modell wurde mit einem 3D-Drucker Varseo N und VarseoWax Model-Material hergestellt und lässt sich aber auch auf jedem handelsüblichen 3D Drucker herstellen. Parallel dazu wurde die Sawbone-Komponente präzise gefräst. Eine Cone Beam Computertomographie (CBCT) wurde durchgeführt, um die Implantatplanung mit Romexis 6.0.1.812 zu unterstützen. Hierbei wurden die Implantatachsen im STL-Format exportiert, was in der CAD/CAM Ausbildung der Studierenden ein bereits etabliertes Verfahren darstellt.

Die Zähne, das Gitter und die Implantatachsen des digitalen Modells wurden farblich codiert, um den Studierenden eine gute optische Orientierung zu ermöglichen. Die geplanten Implantatpositionen wurden in der App angewendet, die mit der eingebauten Kamera eines Smartphones eine AR-Umgebung erstellte. Die App wurde auf bereits mehreren handelsüblichen Mobiltelefonen installiert und erfolgreich getestet.

Um eine realistische Umgebung zu simulieren, wurde das 3D-gedruckte Modell in einen präklinischen Phantomkopf platziert. Einheitliche Beleuchtungsbedingungen wurden mit zwei LED-Leuchten erreicht. In der Evaluierungsphase der App wurden nur Zahnmedizinstudenten mit begrenzter Erfahrung in der Implantatplatzierung einbezogen. Sie führten Bohrungen an Sawbone-Blöcken durch und wurden dann mittels 3D-Scanning und der Analyse der Bohrpositionen bewertet.

Statistische Auswertungen wurden mit SigmaPlot 13.0 durchgeführt.

Die Entwicklung eines fortschrittlichen CAD-gestützten Schulungsmodells sowie die Implementierung einer AR-gestützten App für die Implantatplatzierung zeigen vielversprechende Ansätze für die zahnmedizinische Ausbildung und Praxis.

Die universelle Verfügbarkeit von hochwertigen 3D-Druckern, CAD-Software und Smartphones ist heute nahezu in jeder zahnmedizinischen Universität gegeben. Die Software App erfordert keine spezielle Schulung der Studierenden. sondern ist zu Ausbildungszwecken intuitiv anwendbar. Durch den Wegfall der Produktion von geführten Schablonen für die Ausbildung, ist bei der Verwendung von AR-Software keine Abfallproduktion vorhanden. Dies ist auch ökologisch ein positiver Aspekt.

Insgesamt bieten CAD-Modelle, AR-Apps und ähnliche Technologien vielversprechende Möglichkeiten für die zahnmedizinische Ausbildung und Praxis. Es sind bereits weitere Überlegungen für andere Ausbildungsinhalte in der Zahnmedizin wie zum Beispiel die Visualisierung der endodonitschen Aufbereitung oder die Visualisierung der Wurzelspitzenresektion angedacht, um die AR-gestützte zahnmedizinische Ausbildung mit konventionellen Smartphones zu unterstützen.