Ergebnismodellierung und Qualitätskontrolle kraniofazialer Operationen auf Basis optischer Messtechnik

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2005-11-10
Issue Year
2005
Authors
Benz, Michaela
Editor
Abstract

The goal of the present thesis is to develop methods for modeling and for a quantitative comparison of facial surfaces, including the position of the eyeglobe, based on optical 3d-metrology. In maxillofacial surgery it is important to regain function and an esthetical facial appearance. Esthetics is hereby closely related to symmetry and therefore the surgeon intends to reconstruct the face symmetrically. The assessment of the symmetry of the postoperative facial surface is often performed visually by the surgeon. This thesis presents an objective method for the determination of the facial symmetry plane starting from an optical 3d-measurement of the facial surface. The basic idea is to mirror the original facial surface at an arbitrary plane and to register these two data sets afterwards. Based on the registered data sets the symmetry plane is computed. This method can even be applied to partially asymmetrical faces. Hereby the symmetry plane is given by the remaining symmetrical parts of the face. An objective symmetry measure of the face is obtained by performing a quantitative comparison of the mirrored face and the original face. Moreover a nominal facial surface can be modeled for patients with one half of the face being intact. The nominal surface for the non-intact half of the face is given by the mirror image of the intact half at the facial symmetry plane. In the same way, the nominal position of a displaced eyeglobe can be determined. Postoperatively it is important to investigate the degree of correspondence between the actual facial surface and the desired nominal one by a quantitative comparison of the two surfaces. Another application is to determine the changes of the postoperative facial surface in comparison to the preoperative one. Commonly, this comparison is performed based on 2d-photographs or radiographs. Using optical metrology we obtain 3d-information about the whole soft tissue surface. The quantitative comparison of the facial surfaces is performed by computing the distances and the volume between them. The results are visualized for the surgeon. The advantage of the developed method compared to the standard method is that the computed distances and volumes are almost independent of the choice of the reference mesh proving its commutativity. Finally, patients with a zygomatic fracture are considered. A zygomatic fracture is very often associated with a malposition of the eyeglobe. Therefore it is necessary to examine the position of the displaced eyeglobe of these patients. It suffices to determine the relative eyeglobe position along the optical axis of the intact eye. Commonly, the relative eyeglobe position is determined with the help of a mechanical instrument called Hertel exophthalmometer or based on a CT measurement. The disadvantage using the Hertel exophthalmometer is that the instrument is in contact with the facial surface during the measurement. Therefore asymmetrical swellings or fractures can cause measurement errors. One disadvantage of the CT measurement is that the patient is exposed to radiation. Therefore postoperative measurements are performed only exceptionally. The new method presented in this thesis is based on an optical 3d-measurement. Hereby the 3d-information of the facial surface, including the eyeglobe, is acquired contact-free without exposing the patient to radiation. Another advantage of the presented method is that the relative eyeglobe position can be determined automatically and in an objective way. Moreover the nominal eyeglobe position is obtained by mirroring the intact eyeglobe position at the facial symmetry plane. Finally, the optical measurement can be performed intraoperatively. Therefore it is possible to support the surgeon intraoperatively by a nominal-actual comparison of the eyeglobe position.

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Modellierung und dem quantitativen Vergleich von Gesichtsoberflächen, einschließlich der Augapfelposition, aus optisch gewonnenen dreidimensionalen Messdaten. Gerade bei Operationen im Gesichtsbereich ist es wichtig, dass neben der Funktion auch die Ästhetik wiederhergestellt wird. Der Chirurg ist deshalb bestrebt, das Gesicht möglichst symmetrisch zu rekonstruieren. Die Beurteilung der Symmetrie erfolgt bisher meist rein visuell durch den Chirurgen und ist somit subjektiv geprägt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine objektive Methode zur Bestimmung der Gesichtssymmetrieebene, ausgehend von einer optischen 3D-Messung der Gesichtsoberfläche, entwickelt. Die Kern­idee bei der Symmetrieebenenbestimmung liegt in der Rückführung auf ein Registrierungsproblem. Die Originalgesichtsoberfläche wird mit einem Spiegelbild, das durch Spiegelung an einer beliebigen Ebene gewonnen wurde, registriert, d.h. bestmöglich zur Deckung gebracht. Mit dieser Methode kann auch in Patientengesichtern, die asymmetrische Teilbereiche enthalten, die Symmetrieebene rekonstruiert werden. Ein quantitativer Vergleich des Spiegelbildes mit dem Originalgesicht liefert ein objektives Symmetriemaß des Gesichtes. Liegt nur ein einseitiger Gesichtsdefekt vor, kann durch Spiegelung der intakten Gesichtshälfte an der Symmetrieebene das Sollgesicht modelliert werden. Dies gilt auch insbesondere für die Position des Augapfels. Nach einer Operation ist von Interesse, ob das gewünschte Ergebnis erzielt wurde. Dies kann durch einen quantitativen Vergleich der postoperativen Gesichtsoberfläche mit der modellierten Sollgesichtsoberfläche festgestellt werden. Ebenso von Interesse ist die quantitative Erfassung von Veränderungen der postoperativen Gesichtsoberfläche gegenüber der präoperativen Gesichtsoberfläche. Standardmäßig erfolgt ein Vergleich der Gesichtsoberflächen meist nur anhand von 2D-Fotografien oder Röntgenbildern. Mit dem optischen Sensor wird die Gesichtsoberfläche hingegen dreidimensional und ohne Strahlenbelastung für den Patienten erfasst. Der quantitative Vergleich der Gesichtsoberflächen erfolgt durch Berechnung und Visualisierung der Abstände zwischen den beiden Oberflächen und dem eingeschlossenen Volumen. Der Vorteil der entwickelten Methode im Vergleich zum Standardverfahren liegt darin, dass die berechneten Abstände und Volumina nahezu unabhängig von der Wahl des Referenznetzes sind und somit die Kommutativität der Abstands- und Volumen­berechnung nahezu vollständig erfüllt ist. Bei Patienten mit einer Fraktur des Jochbeins und des zugehörigen Augenhöhlenbodens liegt häufig eine Verlagerung des Augapfels vor. Deshalb wird bei diesen Patienten die Position der Augäpfel kontrolliert. Dabei ist es ausreichend, die relative Augapfelposition entlang der optischen Augenachse zu bestimmen. Standardmäßig erfolgt die Bestimmung der relativen Augapfelposition entweder mit einem mechanischen Instrument, das auf die Gesichtsoberfläche aufgesetzt wird oder anhand von CT-Daten. Der Nachteil des ersten Verfahrens besteht v.a. darin, dass einseitige Weichgewebeschwellungen oder Knochenverlagerungen im Augenbereich zu Fehlern in der Positionsbestimmung des Augapfels führen. Bei der Bestimmung der Augapfelposition aus Computertomographiedaten liegt ein großer Nachteil in der Strahlenbelastung für den Patienten. Deshalb wird diese Methode postoperativ nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Bei der neu entwickelten Methode wird die relative Augapfelposition ausgehend von einer optischen Messung bestimmt. Damit steht dem Arzt eine berührungslose, für den Patienten völlig unbelastende Methode zur Bestimmung der Augapfelposition zur Verfügung. Ein großer Vorteil dieser Methode ist außerdem, dass die Bestimmung der relativen Augapfelposition völlig automatisierbar ist und das Ergebnis der Positionsbestimmung somit unabhängig von dem beurteilenden Arzt ist. Zusätzlich kann mit Hilfe der Symmetrieebene des Gesichtes die Soll-Position des Augapfels berechnet und visualisiert werden. Die optische Messung kann zudem intraoperativ durchgeführt werden, so dass der Chirurg bereits während der Operation durch einen Soll-Ist-Vergleich der Augapfelposition unterstützt werden kann.

DOI
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