Endoskopische Vermessung von Nasenseptumdefekten

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der nichtchirurgischen Behandlung von NSD mittels eines temporären Verschlusses. Dazu stellen die Autor:innen eine neue bildbasierte, kontakt- und strahlungsfreie Messmethode unter Verwendung eines Stereoendoskops vor. Es werden die 3D-Endoskop-Messergebnisse mit den CT-Daten als Goldstandard verglichen. Das Ergebnis dieser Arbeit soll einen Beitrag dazu liefern, inwiefern endoskopische/bildbasierte Messverfahren etablierte therapeutische Ansätze ersetzen/ergänzen können, um zukünftig das Patientenrisiko zu reduzieren.

Der schichtübergreifende Defekt der Nasenscheidewand (Abb. 1b) verändert die Geschwindigkeit und den Volumendurchfluss in der Nasenhöhle. Diese Faktoren sind bekanntermaßen entscheidend für nasale Funktionen wie Geruchssinn, Filtration, Erwärmung und Befeuchtung der eingeatmeten Luft [10, 26]. Posteriore und kleinere Perforationen verursachen aufgrund der weiterbestehenden befeuchtenden Wirkung der Nasenschleimhaut und der Nasenmuscheln tendenziell weniger Symptome [2, 23]. Die Prävalenz eines NSD liegt zwischen 0,9 und 2,1 % in der Bevölkerung und nach Septumplastik sogar bei bis zu 25 % [7, 13, 15, 24]. Es gibt dabei keinen bekannten Zusammenhang zwischen einem Septumdefekt und Faktoren wie Alter, Geschlecht oder geografischer Lage. Die Ursachen für NSD sind vielfältig; verschiedene Ätiologien wie traumatische Perforation, berufliche Exposition, persönliche Gewohnheiten, Drogenmissbrauch, topische oder systemische Medikation sowie bestimmte Autoimmunerkrankungen sind bekannt [4, 8, 16, 25, 28, 32].

Grundsätzlich sollte ein NSD operativ verschlossen werden, wenn dessen Größe es zulässt und der Allgemeinzustand des Patienten nicht dagegen spricht [20, 21]. Eine Versorgung mittels industriell gefertigtem oder individuell angepasstem Button ist immer eine Kompromisslösung. Die nichtchirurgische NSD-Therapie durch temporären Verschluss erfolgt mit Implantaten, sog. Nasenscheidewandbuttons. Diese Implantate können einteilig sowie zweiteilig mit Magneten hergestellt werden (Abb. 2c, g). Aus den CT-Daten wird mittels einer Computer-Aided-Design(CAD)-Software ein 3D-Modell generiert (Abb. 2a). Aus den virtuellen Daten wird anschließend ein physisches Modell mit Computer-Aided Manufacturing (CAM) in einem 3D-Drucker hergestellt (Abb. 2b). Anhand dieses gedruckten Modells wird der zweiteilige Septumbutton mit Magneten hergestellt (Abb. 2c). Der fertige zweiteilige Septumbutton muss spannungsfrei und bündig am Modell anliegen (Abb. 2d). Analoge Abformungen (Abb. 2e) bieten eine weitere Möglichkeit zur Darstellung einer NSD. Aus diesen Abformungen wird ein Gipsmodell hergestellt (Abb. 2f). Aufgrund der Größenlimitierung der mit Silikon abzuformenden Perforation von etwa 3 cm² wird i. d. R. ein einteiliges Implantat für den NSD hergestellt (Abb. 2g). In der Abb. 2h ist ein Septumbutton im analogen Gipsmodell dargestellt, auch hier müssen die Ränder spannungsfrei und bündig anliegen. Industriell konfektionierte Implantate sind nahezu obsolet aufgrund ihrer schlechten Passung und der damit verbundenen Krustenbildung. Diese kann unter den Kofaktoren lokale Infektion, Manipulationen durch den Patienten oder Arzt im Rahmen der Reinigung und durch Schleimhautnekrose aufgrund unzureichender Pflege zu einer Vergrößerung der Perforation führen. Zudem kann es bei ungenau passenden Buttons zu Druckstellen ebenfalls zu Schleimhautnekrose und konsekutiver Perforationsvergrößerung kommen. Der Septumbutton wird nach Abschwellung der Schleimhäute unter Anwendung eines topischen Lokalanästhetikums durch das Nasenloch in den entsprechenden NSD eingesetzt. Zweiteilige Septumbuttons werden mittels Magneten oder Druckknöpfen durch den Septumdefekt miteinander verbunden.

Alle Methoden haben jedoch Nachteile aus Patientensicht: Konfektionierte Implantate sind nicht patientenspezifisch und haben eine schlechte Passung, die zu Krustenbildungen führen kann. Bei sehr großen Defekten sind Silikonabformungen aufgrund fehlender Auflagepunkte größenlimitiert, außerdem erfordern sie eine Betäubung und können zu Verletzungen führen (erhöhtes Morbiditätsrisiko). CT-Daten stehen im Vergleich dazu im Konflikt mit der Strahlenhygiene. Jedes Verfahren erfordert unabhängig davon eine anatomische Vermessung der meist nicht kreisförmigen Perforation. Typische Perforationen können von wenigen Submillimetern bis zu mehreren Zentimetern reichen. Bei der Größenbestimmung ist es zudem wichtig, die vertikale als auch die horizontale Länge der Perforation zu messen (Abb. 3). Insbesondere die vertikale Perforationshöhe spielt eine Schlüsselrolle für den Therapieerfolg, da sie unmittelbare Auswirkungen auf die Spannung zwischen Nasenboden und Nasenrücken hat [4, 9]. Zudem ist eine spätere chirurgische Behandlung nicht ausgeschlossen. Für chirurgische Behandlungen sind mehrere Techniken mit unterschiedlichen Erfolgsraten beschrieben. Sie beruhen auf 2 Grundprinzipien:

Es muss jedoch immer eine Abwägung für die jeweilige therapeutische Methode erfolgen, da insbesondere Patienten mit hochgradigen Septumdeviationen unter aktiven Blutungen leiden können. Hier sehen die Autor:innen in der akuten Blutungssituation eine relative Kontraindikation zur Sofortversorgung. Darüber hinaus müssen bei Patienten mit aktiver lokaler Infektion oder unter Verwendung von intranasal zu applizierenden Medikamenten die Vor- und Nachteile der jeweiligen Versorgung kritisch überdacht werden [4, 12, 17].

Bildbasierte strahlungsfreie 3D-Messverfahren wurden bereits in anderen chirurgischen Disziplinen verwendet, in denen die intraoperative Unterstützung von großem Interesse ist, u. a. in der robotergestützten Chirurgie, der 3D-Laparoskopie oder in der OP-Mikroskopie [1, 3, 11, 19, 30]. Im Vergleich zur Viszeralchirurgie und OP-Mikroskopie sind ein kleineres Sichtfeld sowie starke perspektivische Variationen durch extreme stereoskopische Blickwinkel die Hauptunterschiede für die Nasenchirurgie. Unter Berücksichtigung aller therapeutischen, technischen und chirurgischen Gegebenheiten besteht daher ein hoher Bedarf an der Entwicklung einer kontaktlosen und strahlungsfreien Messmethode zur Erstellung von patientenspezifischen anatomischen 3D-Implantaten bei gleichzeitiger Steigerung der Patientensicherheit und Implantatqualität.

Die Autor:innen verwenden ein Stereoendoskop für die Aufnahme des NSD, um ein digitales 3D-Anatomiemodell zu berechnen. Dazu werden korrespondierende Merkmalspunkte bestimmt, die die gleichen anatomischen Landmarken für beide Stereoansichten beschreiben (Abb. 4). Daraus lässt sich die sog. Stereoparallaxe oder binokulare Disparität berechnen. Auf diese Weise können die Autor:innen bildbasierte Messungen mittels Triangulation bei bekannten Kameraeigenschaften (u. a. Brennweite) durchführen, um relevante 3D-Informationen aus den endoskopischen Bilddaten zu rekonstruieren.

Die NSD aller 6 Patienten wurden mit einem der beschriebenen Endoskope aufgenommen. Die vorhandenen NSD sind in Abb. 5 mit ausgewählten Messpunkten dargestellt. In Tab. 2 gibt es einen Überblick über die bildbasierten Messergebnisse und einen Vergleich mit den bereits vorhandenen CT-Messungen. Die Schichtdicke der CT-Daten beträgt 0,5 mm bei Patient 1 und bei allen anderen 0,625 mm. Die Auswertung der dazugehörigen DICOM-Daten erfolgte mit der Software ImFusion Suite (ImFusion GmbH, München). Für alle Patienten mit Ausnahme von Nr. 1 wurde die axiale und koronale Achse sowie der Umfang der Perforation bestimmt. Die relativen Abweichungen liegen innerhalb der geforderten Messgenauigkeit von 5 %. Der Mittelwert aller Absolutdifferenzen beträgt 0,28 mm mit einer Standardabweichung (SD) von 0,146 mm für die axiale Achse und 0,16 mm mit einer SD von 0,09 mm für die koronale Achse sowie 0,904 mm mit einer SD von 0,769 mm für den Umfang. Bei allen durchgeführten Messungen betragen die Absolutfehler weniger als 0,5 mm und können somit vergleichbare Messwerte wie CT-Daten liefern. Es gibt keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden endoskopischen Systemen in Bezug auf Genauigkeit und Messunsicherheit. Die Messgenauigkeit bestimmt sich hier aus den Parametern des Stereosystems: Brennweite, Stereobasis, Bildauflösung, Pixelgröße sowie aus dem entferntesten Punkt, der in die Messung eingegangen ist. Patient Nr. 1 bedarf einer weiteren Erklärung (Abb. 5a), da die vorgeschlagene Methode keine sinnvolle axiale Messung und daher keine Bestimmung des Umfangs ermöglichte. Hierfür gibt es 2 Hauptgründe. Zum einem war es nicht möglich, die Perforationsausdehnung mit einer einzigen Aufnahme zu erfassen, da das endoskopische Sichtfeld aufgrund der extremen Größe der Perforation von 4,50 cm in der axialen Dimension überschritten wurde.

Außerdem konnten wichtige Bereiche aufgrund der stereoskopischen Verdeckung durch einen spitzen Blickwinkel nicht berechnet werden. Zum anderen wurde die Bildqualität durch die Bewegungsunschärfe der Kamera und durch atmungsbedingte Kondensation auf der Endoskopoptik negativ beeinflusst. Bewegungsunschärfe tritt bei beiden Objektiven auf, während Kondensation auch nur bei einem Objektiv auftreten kann. In beiden Fällen nimmt die Bildqualität stark ab, und es ist nicht mehr möglich, zuverlässige Korrespondenzen zu finden, um daraus die erforderlichen Tiefeninformationen zu berechnen.

Neben den rein bildbasierten relevanten Vermessungsparametern wurden auch die dazugehörigen 3D-Punktwolken (Abb. 6) vollständig berechnet, um eine gezielte 3D-Visualisierung zur quantitativen Bewertung der Anatomie zu ermöglichen. Das hier eingesetzte bildbasierte 3D-Rekonstruktionsverfahren wurde bereits in der robotisch assistierten Chirurgie an 3D-Referenzanatomien von Schweinekadavern evaluiert. Es ist echtzeitfähig und liefert sehr genaue Messergebnisse mit sehr niedrigen Fehlerraten im Soll/Ist-Vergleich zur bekannten Referenzgröße [1]. Die hier erzielten Ergebnisse bestätigen somit die generelle Leistungsfähigkeit des 3D-Rekonstruktionsverfahrens für eine weitere chirurgische Anwendung mit zusätzlichen Anforderungen an die Algorithmik, die sich aus der speziellen Nasenanatomie sowie aus den stereosperspektivischen Besonderheiten ergeben.

In der vorliegenden Arbeit haben die Autor:innen einen neuen bildbasierten Ansatz für die Vermessung von wichtigen Anatomieparametern bei NSD mit einem 3D-Endoskop vorgestellt und mit vorhandenen CT-Daten verglichen. Die Methode zeigt akkurate und präzise Messergebnisse mit geringen relativen Abweichungen im Submillimeterbereich zur Bestimmung der maßstabgetreuen Dimension des NSD in horizontaler und vertikaler Richtung sowie bei der Bestimmung des Perforationsumfangs. Bei der bildbasierten Methode kann der Schleimhautdefekt präzise erfasst werden, es erfolgt dabei im Gegensatz zur CT-basierten Methode aber keine optische Erfassung des Knorpeldefekts, welcher deutlich größer als der Schleimhautdefekt sein kann. Die Messungen erfolgen aktuell noch im 2‑D-Bild. Grafische CT-Vermessungen haben den Vorteil, dass vorliegende Septumdeviationen sowie individuell angepasste Buttons besser erfasst bzw. integriert werden können. Dies gilt auch für die Erfassung der Dicke des Septums am anterioren und posterioren Perforationsrand. Es konnten jedoch bereits jetzt hochauflösende 3D-Punktwolken erzeugt werden, die eine quantitative wie qualitative Beurteilung der Patientenanatomie durch die Chirurg:innen erlauben und zudem eine Erfassung der zuvor genannten Herausforderungen im Vergleich zu CT-Vermessungen möglich erscheinen lassen.

Nächste Schritte untersuchen die praktische Umsetzbarkeit dieses für den Patienten schonenden Ansatzes, um die 2 gängigen nichtchirurgischen Methoden (CT-Scan, Silikonabformung) zur Behandlung von NSD zu ersetzen. Unter anderem muss das Verfahren so erweitert werden, dass für alle Perforationsgrößen die entscheidenden NSD-Parameter vermessen werden können. Dies gilt insbesondere für NSD, die größer als etwa 3 cm² sind und bei denen die chirurgische Szene nicht mit einer endoskopischen Einzelaufnahme erfasst werden kann. Die Therapie größerer Septumdefekte könnte mit dem hier erbrachten Nachweis von hochpräzisen Messergebnissen aus Einzelaufnahmen vielversprechend angegangen werden. Dazu sollen die Messungen und die Oberflächenrekonstruktion für beide Nasenlöcher zueinander mit sog. 3D-Mosaik- und SLAM-Verfahren („simultaneous localization and mapping“) zu einem globalen 3D-Modell registriert und fusioniert werden, sodass dieses für den 3D-Druck des Implantats genutzt und problemlos in die bestehenden Arbeitsabläufe von Epithetiker:innen integriert werden kann.