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14.07.2010

3-D-Programme wie CAD (computer-aided-design) sind heutzutage aus Ingenieursbüros gar nicht mehr wegzudenken: Wenn ein komplexes Objekt aus teuren Materialien und mit hohem Produktionsaufwand hergestellt werden soll, wird es zunächst am Computer konstruiert. Jetzt soll dieses Verfahren auch Gesichtschirurgen helfen, berichten Wissenschaftler um Alok Sutradhar vom Ohio State University Medical Center im Fachmagazin "PNAS".

Ein entstelltes Gesicht - sei es durch eine Krankheit oder einen Unfall - bedeutet für die Betroffenen nicht nur psychisch eine extreme Belastung. Zerstörte oder beschädigte Gesichtsknochen ziehen mitunter eine ganze Reihe physischer Probleme nach sich: Kauen, Schlucken, Sprechen oder Atmen können stark beeinträchtigt sein.

Bisher war es ein schwieriges Unterfangen Patienten mit solchen Problemen zu helfen, denn die Gesichtsknochen gehören zu den komplexesten des menschlichen Skeletts. Um sie zu rekonstruieren, mussten plastische Chirurgen die Ersatzknochen per Hand aus Knochenteilen anderer Körperregionen - zum Beispiel dem Schulterblatt oder der Hüfte - modellieren. Doch auf diese Weise ein exaktes, individuelles Implantat herzustellen ist eine enorme Herausforderung, zumal sich Gesichtsknochen strukturell teils stark von Knochen in anderen Körperregionen unterscheiden. So kommt es, dass man trotz Gesichtsrekonstruktion die funktionellen oder kosmetischen Beschwerden meistens nicht vollständig beheben kann.

Sutradhar und seine Kollegen haben die sogenannte Topologieoptimierung, also die Anwendung von rechnergestützten Modellierungsprogrammen, bei der Gesichtsrekonstruktion genutzt. Die Methode basiert auf der sogenannten "Finite Elemente Methode". Dabei wird das zu konstruierende Objekt virtuell in extrem viele, extrem kleine Teile zerlegt. Diese können dann gezielt umverteilt werden, um das Objekt hinsichtlich verschiedener Kriterien zu optimieren: bei Gesichtsknochen zum Beispiel nach Passform oder Funktionalität.

Diese Strategie bietet viele Vorteile: Sie spart Zeit und Geld, die in die Konstruktion, Untersuchung und Verbesserung realer Testmodelle fließen würden. Außerdem führt die Ingenieursmethode zu sehr exakten Ergebnissen. Die virtuellen Modelle lassen sich nicht nur nach unterschiedlichen Gesichtspunkten rechnerisch optimieren. Zusätzlich können sie auch auf ihre Reaktion auf verschiedene äußere Einflüsse, wie Druck oder Temperatur, getestet werden.

Fehlende Knochenteile könnten so anhand eines dreidimensionalen Computermodells detailliert entwickelt werden. Anschließend können die Ärzte den Knochenersatz in das Computermodell des Patienten einbauen - und so Vorhersagen darüber treffen, wie das neue Antlitz des Patienten aussehen wird.