Die ETH Zürich an der ORBIT

Orbit '99: ETH-Informatiker liefern Software für den Operationssaal

Computersimulationen in der Gesichtschirurgie

Informatiker der ETH Zürich erweitern ihren Wirkungskreis: Fortan stellen sie ihr Können auch in den Dienst der Spitzenmedizin. Ein Computerprogramm soll Chirurgen und Patienten vor komplizierten Eingriffen an Kopf und Kiefer helfen, das Operationsresultat schon im voraus dreidimensional zu errechnen. FACE heisst der aufsehenerregende Softwareprototyp, der auf der Informatikmesse Orbit '99 in Basel einer breiten Öffentlichkeit vorgeführt wird.

Virtuell operieren - ohne Messer und ohne sichtbare Folgen? Die Gesichtschirurgie erobert die dritte Dimension. Schon heute vollbringen Ärzte grossartige Leistungen bei komplexen Eingriffe am menschlichen Gesicht - beispielsweise wenn es darum geht, das Gesicht von angeborenen Missbildungen, nach Unfällen oder bei Tumoroperationen zu rekonstruieren. Die moderne Kiefer- und Gesichtschirurgie verlangt von den Operierenden höchste Präzision. Solche Operationen sind für Mediziner und Patienten eine grosse Herausforderung. Sie belasten die Psyche beider Partner, steht doch das künftige aeussere Erscheinungsbild des Patienten auf dem Spiel. In Zukunft kann sich die Spitzenmedizin auf die moderne Informatik stützen, die hier einen wichtigen Beitrag leistet: Professor Markus Gross und sein Team vom Institut für Wissenschaftliches Rechnen der ETH Zürich haben zusammen mit Chirurgen des Unispitals Zürich ein weltweit führend es Softwareprogramm namens FACE entwickelt. Auf diese Weise lässt sich das Ergebnis von heiklen Eingriffen an Gesicht und Kiefer schon vor der Operation dreidimensional simulieren.

Computer operiert mit

Kiefer- und Gesichtschirurgie ist Millimeterarbeit. In einem mehrstündigen Vorgang müssen Teile des Schädelknochens und des Gesichtsgewebes entfernt, verschoben oder durch geeignete Implantate ergänzt werden. Das Ziel für den operierenden Arzt ist klar: Unter vorgegebenen medizinischen Bedingungen will er eine möglichst ästhetische Rekonstruktion des Gesichts erreichen. Das Forschungsprojekt FACE erlaubt ihm eine interaktive Operationsplanung am Computer, indem es dreidimensionale, realistische Bilder der Gesichtsgeometrie nach dem Eingriff errechnet. Umgekehrt kann der Patient bereits vor der Operation sein Aussehen studieren und deshalb Ängste und Unsicherheiten abbauen.

Intensive Entwicklungsarbeit mit Praktikern

Über fünf Jahre hinweg entwickelten die ETH-Forscher um Professor Markus Gross diesen Simulator für gesichtschirurgische Eingriffe am Menschen. Vor der Operation müssen die erforderlichen Patientendaten erfasst werden. Dazu bedient man sich Verfahren der medizinischen Bildgebung wie Computertomographie und Laserscans. Die Gesichtsgeometrie wird anhand von Kameraaufnahmen und Verfahren der automatischen digitalen Photogrammetrie vermessen. Das gesamte Gesichtsfeld wird dabei in kleinste Prismen zerlegt, mit denen sich der Operationsbereich genau simulieren lässt. Aus sämtlichen Daten erstellt der Computer ein dreidimensionales Modell. Es zeigt die Schädelknochen, die Gesichtsoberfläche sowie die darunterliegenden Gewebeschichten. Auf dieser Grundlage führt der Chirurg die Operation vor dem Computerbildschirm durch. Die langwierigen Vermessungsarbeiten vor der eigentlichen Operation dauern im Durchschnitt etwa sechs Wochen.

Noch mehr Präzision dank Tests

Erfolgreiche Tests der neuen Methode sind in Zusammenarbeit mit dem Universitätsspital Zürich (Forschungsgruppe um Prof. Hermann Seiler) im Gang. Dabei wird insbesondere auch die Abweichungen zwischen Gesichtsmodell und effektivem Resultat der Operation verglichen. Zudem werden Veränderungen nach ein, drei, sechs und neun Monaten registriert. Langfristig soll dadurch die Genauigkeit der Software-Simulation erhöht werden. Im Endeffekt wollen die ETH-Informatiker erreichen, dass die Fachärzte Operationen im Vorfeld simulieren können. Gesichtschirurgen werden so schon bald Gewebe schneiden und verschieben, bevor es Ernst gilt. Der Computer soll beispielsweise dem Chirurg im voraus möglichst realistische Informationen über die Intensität liefern, mit der er den Gewebeschnitt zu vollziehen hat.

ETH und Nationalfonds an der Orbit

FACE ist ein Beispiel für vielversprechende Produkte, welche die ETH Zürich auf der Informatikmesse Orbit '99 in Basel vorstellt. Vom 21. bis 25. September 1999 präsentiert sie zusammen mit dem Schweizerischen Nationalfonds aktuelle Errungenschaften aus der Informatik. Der Messestand der ETH Zürich befindet sich in Halle 1, Stand C21 und C23. Aktuelle Informationen zu den ETH-Projekten sind auch über Internet verfügbar: http://www.orbit.ethz.ch/