Automatisiertes kontaktloses Mapping der Gesichtstopographie, 3-dimensionaler Druck und Silikonguss von Orbitalprothesen Free

Die Orbitale Exenteration ist ein radikaler chirurgischer Eingriff, bei dem Augenlider, Auge und Orbitainhalt einschließlich extraokularer Muskulatur, Sehnerv, Fettgewebe und Tränendrüse en bloc entfernt werden. Dieses Verfahren wird üblicherweise zur Behandlung von malignen periokularen Tumoren, die in die Augenhöhle eindringen, intraokularen Tumoren mit extraokularer Ausbreitung oder primären und sekundären malignen Erkrankungen der Augenhöhle durchgeführt [1]. Das chirurgische Ziel ist, tumorfreie Ränder zu erzielen. Auch bei schmerzhaften oder lebensbedrohlichen orbitalen Infektionen oder Inflammationen wird dieses Verfahren durchgeführt [2]. Das postoperative Ergebnis ist eine leere Augenhöhle.

Der Verlust oder das Fehlen eines Auges und des Orbitainhalts ist sowohl physisch als auch psychisch traumatisch und kann zwischenmenschliche Beziehungen stark beeinträchtigen [3]. Die psychologische und kosmetische Rehabilitation beginnt kurz nach der Ausheilung der Augenhöhle mit der Anpassung einer orbitalen Exenterationsprothese, die sich der Form der kontralateralen, nicht betroffenen Seite annähert. Die Anfertigung einer Exenterationsprothese ist ein mühsamer und zeitintensiver Prozess. In der Regel benötigt ein ausgebildeter Okularist oder Anaplastologe (Prothetiker), der in dieser Fachrichtung geschult ist, 1–2 Wochen, um die Herstellung mit Hilfe eines traditionellen Kontaktabdrucks, des Gussformenbaus, der Modellierung von Hand und einer Vielzahl anderer technischer Fertigungsschritte abzuschließen [4]. Die fertige statische Orbitalprothese ist aus einem Silikonelastomer gefertigt, bestehend aus festen Augenlidern, einem Okularprotheseneinsatz und künstlichen Wimpern. Die daraus resultierende Symmetrie, Ähnlichkeit und Farbabstimmung sind stark von der Erfahrung und dem Geschick des Prothetikers abhängig. Der Verbundkörper wird mit Kleber oder doppelseitigem Klebeband am Eingang der leeren Augenhöhle befestigt. Eine ideale Exenterationsprothese sollte einen neutralen Ausdruck besitzen und eng mit den nuancierten Hauteigenschaften und periokularen Strukturen der unbeeinflussten Seite übereinstimmen. Eine gut gemachte Orbitalprothese kann das Selbstwertgefühl und die Lebensqualität eines Patienten dramatisch verbessern [5].

Die Herstellung einer Orbitalprothese kann teuer sein [6, 7]. Im Allgemeinen wird erwartet, dass eine Silikon-Orbitalprothese 1–2 Jahre hält, bevor sie ersetzt werden muss [8, 9]. Eine Verfärbung der Prothese durch Flüssigkeits-, Hautöl- und Schmutzablagerung, Materialabbau, Ausfransen der Prothesenränder und eine veränderte Passform durch veränderte Weichteilkonturen um den Orbitaleingang können die kosmetische Symmetrie beeinflussen [10, 11]. In Entwicklungsländern kann der Zugang zu einem qualifizierten Anaplastologen eingeschränkt sein. Infolgedessen können sich viele Patienten den Kauf einer Prothese nicht leisten und decken den Defekt in der Regel mit einem Pflaster ab. Auch nach dem Erhalt einer ersten Prothese sind die Kosten für den Austausch oft unerschwinglich, sodass Patienten darauf zurückgreifen, eine ausgefranste und verfärbte Prothese oder überhaupt keine Prothese zu tragen. In den am wenigsten entwickelten Ländern ist insbesondere bei Kindern aufgrund ihres raschen Wachstums und der Veränderung der Gesichtsmaße, der mit jeder Prothese verbundenen Kosten und des begrenzten Zugangs zu einem erfahrenen Anaplastologen das Tragen einer Exenterationsprothese selten.

Innovation und die Einführung neuer Technologien wie hochauflösender digitaler Scanner, computergestützter Design-Software (CAD) für die Bearbeitung komplexer dreidimensionaler (3D) digitaler Datensätze [12, 13] und hochauflösender 3D-Drucker können dazu beitragen, die Kosten zu senken und die technischen Hürden zu überwinden, die den Zugang zu Gesichts- und Orbitalprothesen für viele Patienten weltweit einschränken [14, 15]. Ziel dieser Proof-of-Concept-Studie war es, einen neuartigen Workflow für die Herstellung einer Orbitalprothese mit Hilfe moderner digitaler Technologien zu veranschaulichen. Wir stellten die Hypothese auf, dass durch Integration des 3D-Gesichts-topographie-Mappings, 3D-Druck, automatisiertem Farbabgleich und CAD die Kosten für die Prothese gesenkt, der Zugang verbessert, anwenderbedingte Abweichungen beseitigt, Symme-trie und Ähnlichkeit verbessert und eine qualitativ hochwertige, sofort tragbare Prothese hergestellt werden kann, ohne dass eine vorherige Erfahrung in der Prothesenherstellung erforderlich wäre.

Es handelt sich um eine Fallreihe von drei Patienten, und es wurden keine Daten analysiert, um verallgemeinerbare Erkenntnisse zu gewinnen. Die Autoren haben vom Institutional Review Board der University of Miami eine schriftliche Befreiung von der IRB-Prüfung erhalten. Von jedem Patienten wurde nach umfassender Aufklärung über den Untersuchungscharakter der Studie eine Einverständniserklärung eingeholt. Die Studie hielt sich an die Grundsätze der Deklaration von Helsinki und entsprach dem Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA). Die in die Studie aufgenommenen Patienten wurden zwischen Januar 2018 und März 2020 behandelt und mindestens 6 Monate lang nachbeobachtet.

Mapping der Gesichtstopographie — Die Herstellung einer Orbitalprothese beginnt mit dem Scan der Gesichtstopographie des Patienten mit dem hochauflösenden Artec Space Spider Hand-Held Full Color 3D-Scanner (Artec 3D, Luxemburg) oder einem ähnlichen Gerät (Abb 1). Ein einzelner Scan mit mehreren horizontalen Durchläufen über das Gesicht des Patienten dauert etwa eine Minute. Nach Mapping der Gesichtstopographie wird ein tragbares Kolorimeter (E-Skin von SPECTROMATCH LTD, UK) verwendet, um die Hautfarbe zu erfassen und mit einer benutzerdefinierten Farbpalette der SpectroMatch-Datenbank abzustimmen. Dieser Prozess ist vollautomatisiert. Messungen bestimmter Gesichtsmaße des Patienten, wie z.B. interkanthaler Abstand und Augenlidfissuren, werden mit einem Messschieber als redundante Skalierungsmessungen vorgenommen. Schließlich werden hochauflösende Nahaufnahmen des Gesichts mit einer DSLR-Kamera unter Verwendung einer neutralen grauen Farbkarte für die Einstellung des Weißabgleichs aufgenommen, um eine Referenz für die Farbabstimmung zu gewährleisten und um einen Abgleich bei der Detailgestaltung der Prothese zu ermöglichen (Abb 2, linke Spalte).

Digitale Bearbeitung gescannter Gesichtsdaten — Sobald die Gesichtstopographie und die Kolorimeter-Aufnahmen abgeschlossen sind, werden die Rohdaten mit der firmeneigenen Software des Scanners, Artec Studio 12 Professional (Artec 3D, Luxemburg) vorverarbeitet. Alle Scans werden dann zu einem einzigen digitalen Netz zusammengefügt, indem alle gescannten Punkte global registriert, Ausreißer entfernt, die Anzahl der Polygone reduziert und Textur sowie Farbe auf das Netz übertragen werden. Das fusionierte Netz wird als Polygon-Dateiformat (.ply) in eine CAD-Software exportiert, die Polygonnetze verarbeiten kann (Abb 2, mittlere Spalte). Die in dieser Arbeit verwendete Software ist Geomagic Studio 12 (3D Systems, USA). Ein erfolgreich rekonstruiertes anatomisches 3D-Prothesennetzmodell wird in die digitale Darstellung der Gesichtstopographie des Patienten eingefügt, um eine genaue Passform zu gewährleisten (Abb 2, rechte Spalte).

Digitale Modellierung der Orbitalprothese — Um Symmetrie zu gewährleisten, wird die digitale Konstruktion der vorderen Oberfläche der Orbitalprothese anhand des gespiegelten Bilds des kontralateralen Periorbitalbereichs geschaffen. Die hintere Oberfläche wird nach der Geometrie der Orbita modelliert, um den ausgewölbten Teil der Prothese zu erstellen, der einen leichten radialen Druck in der Augenhöhle ausübt, um eine bequeme individuelle Passform zu gewährleisten. Mit der Auswahl verschiedener Punkte, die entlang der Mittellinie des Gesichts verlaufen, wird eine Symmetrieebene approximiert. Die Symmetrieebene dient als Orientierungshilfe, an der ein Duplikat des Scans gespiegelt wird. Anschließend werden die Scanpunkte bestimmt, an denen der ursprüngliche Scan und der gespiegelte Scan aufgrund des Orbitaldefekts um mehr als 2 mm abweichen, um die korrekten Ränder der Prothese zu bestimmen. Dazu wird eine Abweichungsanalyse durchgeführt, die den minimalen Abstand zwischen einem Punkt im Originalscan und einem Punkt im gespiegelten Scan ermittelt. Die kolorierte Abweichungskarte der Scandaten ist in Abbildung 3 dargestellt. Die vorderen und hinteren Oberflächen werden dann zusammengeführt, um ein wasserdichtes Modell der Prothese zu erstellen, das sich an die Augenhöhle anpasst. Um das Einsetzen der Prothese zu erleichtern und unangenehme Druckstellen an den Orbitawänden zu vermeiden, ist das Innere des hinteren, ausgewölbten Abschnitts der Prothese hohl, um Flexibilität zu erreichen.

Zur Konstruktion des hohlen, hinteren, ausgewölbten Teils der Prothese wird ein Wachseinsatz entworfen, indem ein glatter Versatz der gesamten Prothese mit einen Abstand von 3 mm hergestellt und vom Hauptmodell subtrahiert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Rückseite der Prothese eine gleichmäßige Dicke von 3 mm aufweist, wodurch sie flexibel wird und gleichzeitig eine ausreichend strukturelle Steifheit beibehält. Ein digitalisiertes Modell eines Okularteils wird von der vorderen Oberfläche der Prothese subtrahiert, um einen Hohlraum zu schaffen, in den das Okular in der fertigen Prothese passt. Schließlich wird die Ausrichtung der Okularprothese digital verifiziert, um die korrekte Passform des integrierten Okularteils nach dem Guss sicherzustellen, wie in Abbildung 4 zu sehen. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein freistehendes 3D-Modell der Prothese, das auf dem Originalscan des Patienten positioniert werden kann, um Symmetrie und Blickausrichtung zu überprüfen.

Design der 3D-Form — Um die Form digital zu erstellen, werden Vorder- und Rückseite der Prothese entlang der Kante getrennt und für die Erstellung einer zweiteiligen Negativform verwendet. Entscheidend ist, dass die Trennlinie der Form entlang des Prothesenrands verläuft, wodurch die bei Verbindung beider Formteile entstehende Nahtlinie verdeckt wird. Die hintere Form hat zwei kleine Löcher zum Befüllen der Form: ein Angussloch zum Einspritzen der Polymermischung für den Guss der Prothese und ein Luftloch, damit überschüssiges Silikon und Luftblasen entweichen können. An den diametral gegenüberliegenden Ecken der Formen werden Passstifte angebracht, um die vordere und hintere Form zu fixieren und ein Verrutschen während des Silikongusses zu verhindern. In ähnlicher Weise wird eine Form für den Wachseinsatz entworfen, wobei das Modell in der Mitte geteilt wird, um eine zweiteilige Form zu schaffen. Das fertige Design der Form wird dann als binäre Stereolithographie-Datei (.stl) für den 3D-Druck exportiert.

Drucken der digital gestalteten 3D-Formen — Sobald die .stl-Dateien mit den Formen für die Prothese erstellt sind, werden sie mit einem Ultimaker 3-Drucker (Ultimaker, Geldermalsen, Niederlande) mit weißem Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) gedruckt. Das Drucken einer Form dauert bei einer Schichthöhenauflösung von 60 µm in der Regel etwa 20 Stunden. Die Formen werden dann manuell mit Aceton geglättet, um sichtbare Drucklinien oder scharfe Kanten zu entfernen (Abb 5A).

Gießen der Prothese — Nach dem Drucken der endgültigen Formen werden Silikonfarbmuster gemäß den SpectroMatch e-Skin-Farbcodes unter Verwendung von Electron Microscopy Sciences (EMS) Shore 40 Two-Part Clear Silicone Kit 24232-C, dem gleichen Silikon, das bei der Herstellung der Prothese verwendet wird, erstellt. Mit den farbkorrigierten hochauflösenden Bildern, die während des Scannens aufgenommen wurden, wird eine Hautfarbe ausgewählt, die dem durchschnittlichen Grundton des Gesichts des Patienten am nächsten kommt.

Der letzte Schritt vor dem Guss ist die Vorbereitung des Wachs-einsatzes für den Hohlraum im hinteren Teil der Prothese. Mit der 3D-gedruckten ABS-Positivform wird ein Silikon-Negativ des Wachseinsatzes aus dem gleichen Silikon gegossen. Mit Hilfe der Silikonform wird Paraffin in die Form des Einsatzes gegossen, da Paraffin an der Oberfläche der ABS-Form, nicht aber an Silikon haftet. Nach Aushärten des Paraffinwachs-Einsatzes wird dieser an der Vorderseite der Form auf der hinteren Oberfläche des Platzhalters für das Okularstück angeklebt. Der Wachseinsatz wird anhand des digitalen Entwurfs der Form in Geomagic sorgfältig ausgerichtet, um eine hohle Schale mit gleichmäßiger Dicke in der hinteren Oberfläche der Prothese zu schaffen (Abb 5B).

Schließlich wird das Silikon für den Guss vorbereitet. Das für die Prothesenproduktion benötigte Gesamtmaterialvolumen wird berechnet und in die e-Skin-Rezepturdatenbank von SpectroMatch eingegeben, um eine Rezeptur für den Basis-Hautton mit dem erforderlichen Volumen zu erhalten. Das Silikon wird von SpectroMatch Quick Weigh e-Skin Silikonpigmenten im richtigen Verhältnis gemischt. Die Mischung aus Pigmenten und Aktivatormasse wird in einem Speedmixer (FlackTek Inc., USA) homogenisiert und entgast. Die Form wird mit Schraubzwingen festgeklemmt, wobei erheblicher Druck ausgeübt wird, um eine ordnungsgemäße Abdichtung zu gewährleisten, und die Silikonmischung wird durch das Angussloch eingespritzt, bis überschüssiges Silikon durch das Luftloch fließt und keine Luftblasen mehr vorhanden sind.

Die richtige Gestaltung des Prothesenrandes ist besonders wichtig. Um eine unauffällige Grenzfläche zwischen Prothese und Haut des Patienten herzustellen, müssen die Ränder sorgfältig verjüngt werden. Die Ränder der Prothese sollten sich von 0,5 mm auf 0,3 mm verjüngen, was sich als ausreichend für die Haltbarkeit der Prothese erwiesen hat und gleichzeitig eine zufriedenstellende Prothesen-Haut-Grenzfläche bietet. Ein Querschnitt der hohlen Prothese nach dem Guss ist in Abbildung 5C dargestellt.

Detailbearbeitung der Silikon-Orbitalprothese — Die ausgehärtete Silikonprothese wird nach 16-stündiger Aushärtung bei Raumtemperatur zur abschließenden Detailbearbeitung aus der Form entfernt. Der überschüssige Kunststoff wird vom Rand der Prothese geschnitten und auf eventuelle Verformungen, die während des Gusses entstanden sind, untersucht. Eine äußere Schicht Farbe wird von Hand auf die Oberfläche mit Pigmenten aus dem Extrinsic Coloration Kit KT-199 Silicone Paint Kit von Factor II (Factor II Inc., USA) angebracht. Diese Pigmente fügen Details wie Schattierungen unter dem Auge sowie entlang der Falten des oberen Augenlids und der Bindehaut hinzu, um das echte Erscheinungsbild und die ästhetischen Qualitäten der Prothese zu erhöhen. Nachdem die Silikonfarbe ausgehärtet ist, erfolgt der Versiegelungs- und Mattierungsprozess. In einem mehrstufigen Verfahren wird die prothetische Dichtmasse aus Faktor II-Silikon aufgetragen, texturiert und mattiert, um die Details der Prothese zu schützen und gleichzeitig ihre Ähnlichkeit mit dem Ton und der Textur der Haut um den Defekt des Patienten zu erhöhen. Generische synthetische Wimpern sind im Handel in Kosmetikgeschäften und Apotheken erhältlich. Die im Laden gekauften synthetischen Wimpern werden mit klarem Silikon, dem gleichen Material, das für die Herstellung der Prothesen verwendet wird, an den Prothesen befestigt. Mit der Westcott-Tenotomieschere werden die Wimpern so zugeschnitten, dass sie in Länge, Form und Dichte der kontralateralen Seite des Patienten entsprechen. Wichtig ist künstlerisches Urteilsvermögen dabei, Wimpernfarbe, -länge und -kontur so weit wie möglich anzunähern. Für diese Aufgabe ist keine Ausbildung erforderlich. Eine kleine Menge durchsichtiges EMS-Silikon wird auf den Lacus lacrimalis des medialen Canthus aufgetragen, um einen leichten Glanz zu erzielen (Abb 6).

Alle Patienten wurden in der Klinik gescannt. Die ungefähre Gesamtherstellungszeit für eine Prothese beträgt 46 Stunden. Die in jedem Fertigungsschritt benötigte Zeit ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Dieser Workflow mit maßgeschneidertem CAD-Design führte zu Prothesen mit hervorragender Schaftpassform, symmetrischer Ausrichtung zur normalen Seite und einer präzisen Pigmentmischung, die bei allen Patienten eine gute Farbübereinstimmung ergab. Bei zwei (Fall 2, 3) der drei Orbitalprothesen wurden die neue Acrylokularprothesen verwendet, die mit einer in unserem Labor entwickelten Nicht-3D-Drucktechnik hergestellt wurden. Im Fall 1 wurde das Okularstück aus der alten Prothese des Patienten verwendet. (Abb 7, 7, 8). Alle wurden als adhäsiv befestigte Orbitalprothesen konzipiert, aber nur ein Patient verwendet zur Befestigung der Prothese gelegentlich Klebstoff. Alle drei Patienten berichteten von Tragekomfort und berichteten, dass die 3D-gedruckte Prothese mit dem weichen hohlen und ausgewölbten hinteren Teil eine gleichmäßigere Druckverteilung in der Augenhöhle und einen besseren Sitz im Vergleich zu den zuvor getragenen Prothesen hatte. Die drei Patienten in dieser Studie tragen eine Brille mit Polycarbonatlinse, um das normale Auge zu schützen und nutzen den Rahmen, um die Ränder der Prothese strategisch zu kaschieren.

Fall 1 — Bei einem 63-jährigen Mann wurde die orbitale Exenteration aufgrund eines adenoid-zystischen Tränendrüsenkarzinoms nach institutionellen Protokoll mit neoadjuvanter intraarterieller Chemotherapie, gleichzeitiger Chemoradiationstherapie und zusätzlichen Zyklen adjuvanter Chemotherapie vorgenommen. Elf Jahre nach der Behandlung ist er krankheitsfrei. Er ließ sich eine Orbitalprothese nach konventioneller Methode anfertigen, die er jedoch aufgrund von Verfärbungen und schlechter Passform nach 2 Jahren nicht mehr trug; stattdessen entschied er sich für ein schwarzes Pflaster. Das Gesichtsmapping und die Kolorimeterwerte des Patienten wurden während eines Klinikbesuchs mit den oben beschriebenen Methoden erfasst. Das fertige erste Exemplar der Prothese wurde eine Woche später per Post an den Patienten aus einem anderen Bundesstaat geschickt. Nahaufnahmen vom Tragezustand der Prothese wurden vom Patienten selbst gemacht und per E-Mail zurückgesendet. Auf der Auswertung der Fotos basierend wurde festgestellt, dass der Prothesenrand auf den Meridianen zwischen 5 und 7 Uhr von der Haut abgewölbt war (Abb 7A – Pfeil) und der superotemporale Rand zu breit und dick war (Abb 7A – Pfeilspitze). Anhand der archivierten digitalen Datensätze wurde der superotemporale Rand digital beschnitten und die Dicke reduziert, und der untere Prothesenrand wurde zur Haut hin gebogen, um die Wölbung zu beseitigen. Ein zweites Exemplar wurde angefertigt und an den Patienten zurückgesendet. Fotos des Patienten, auf denen er das zweite Exemplar trug, zeigten, dass beide Fehler korrigiert waren (Abb 7B, 7C). Das Abweichungsmapping gab vor, wie weit der untere Rand der Prothese gekrümmt werden musste, um in der zweiten Herstellung eine gute Schnittstelle zur Haut herzustellen.

Fall 2. — Bei einer 26-jährigen Frau wurde im Alter von 14 Jahren aufgrund eines fibromyxoiden Sarkoms eine Exenteration der linken Orbita vorgenommen. Ihre erste Orbitalprothese war am Brillengestell verankert. Sie hörte auf, sie zu tragen und kämmte ihr Haar über die linke Gesichtshälfte, um die Augenhöhle zu verdecken. Die erste Anfertigung ihrer Prothese wurde ohne Hilfe des Kolorimeters zur präzisen Farbbestimmung angefertigt, und die fertige Prothese wurde in der Übereinstimmung des Farbtons als suboptimal beurteilt. Die Patientin kehrte zurück, um das Gesicht erneut scannen und eine Farbmessung mit dem Spektrometer sowie den beschriebenen Herstellungsprozess durchführen zu lassen. Eine neue Prothese mit viel besserer Übereinstimmung im Hautton wurde hergestellt (Abb 8).

Fall 3. — Bei einer 53-jährigen Frau wurde eine rechtsseitige orbitale Exenteration aufgrund eines adenoid-zystischen Tränendrüsenkarzinoms nach institutionellen Protokoll mit neoadjuvanter intraarterieller Chemotherapie, gleichzeitiger Chemo-Strahlentherapie und zusätzlichen Zyklen adjuvanter Chemotherapie vorgenommen. Acht Jahre nach der Behandlung ist sie krankheitsfrei. Die erste Prothese wurde nach dem üblichen Herstellungsverfahren von einem Okularisten angefertigt. Sie hörte nach einem Jahr auf, die Prothese zu tragen, weil die Passform nicht optimal war: Ihre Haut reagierte empfindlich auf die Verwendung von Klebstoffen, und die Prothese fiel bei Schweißbildung häufig vom Orbitarand ab. Die Orbitalprothese, die mit Hilfe des Gesichtstopographie-Mappings, 3D-Drucks und Silikonguss-Verfahrens hergestellt wurde, bot aufgrund des ausgewölbten hinteren Teils der Prothese einen komfortableren Sitz und Halt in der Augenhöhle. Sie kann die Prothese nun bequem eine Woche lang tragen, ohne sie entfernen zu müssen. Die Grenzfläche zwischen Prothesenrand und Haut sowie die Farbübereinstimmung wurden von der Patientin als ideal beurteilt (Abb 8).

Innovationen im 3D-Druck von maßgefertigten Prothesen, Implantaten und Geräten, die von patientenspezifischen anatomischen Merkmalen abgeleitet sind, revolutionieren die Medizin weiterhin. Zu den Anwendungen des 3D-Drucks von Geräten für den medizinischen Fortschritt gehören ein Luftröhren-Stent, ein bionisches Ohr und vaskuläre Netzwerke für durchblutungsfähige, dreidimensionale Gewebe [16-18].

In dieser Proof-of-Concept-Workflow-Studie zu digital gestalteten Orbitalprothesen mit automatisierten kontaklosen Scans, 3D-Druck und Silikonguss ist es uns gelungen, ein erstes Exemplar mit guter Gesichtssymmetrie und gutem Prothesensitz herzustellen. Das Kolorimeter lieferte die genaue Pigmentverhältnismischung, um eine gute Farbübereinstimmung zu erzielen. Der Wachseinsatz, um die ausgewölbte hintere Prothesenoberfläche hohl zu machen, ist ein neuer Aspekt des Herstellungsverfahrens, um die Anpassung an die Augenhöhle und den Tragekomfort zu verbessern. Bei einem Patienten wurden Prothesenkontur und Hautoberfläche durch geringfügige digitale Manipulationen anhand archivierter Daten verfeinert, um das endgültige zweite Exemplar herzustellen. Das neu konturierte zweite Exemplar mit verbesserter Schnittstelle von Prothesenrand zu Haut wurde an den Patienten per Post gesendet, ohne dass ein erneuter Besuch in der Praxis erforderlich war. Dieser validierte Produktionsworkflow mit einem maßgeschneiderten CAD-Design ermöglicht die effiziente, standardisierte und reproduzierbare Herstellung einer Exenterationsprothese.

In einem systematischen Review aus dem Jahr 2019 zu computergestützten Werkzeugen und digitalen Techniken zur Herstellung von nasalen, aurikulären, orbitalen und okularen Prothesen für die Rehabilitation von Gesichtsdefekten wiesen Farook und Kollegen [7] darauf hin, dass es nicht den einen Herstellungsstandard gibt, der ausschließlich für digital gestaltete Gesichtsprothesen gilt. Orbitalprothesen folgen einem ähnlichen Workflow wie Aurikularprothesen. Insgesamt wurden 8 Berichte zur Herstellung von Orbitalprothesen ermittelt. Die Methoden zu Datenerfassung variierten, von 3D-Photogrammetrie [14, 19-21], Magnetresonanztomographie (MRT) oder Computertomographie (CT) [22-24], bis zur Digitalkamera [25].

Eine Auswertung der für dieses Manuskript relevanten Berichte über automatisierte kontaktlose Techniken der Herstellung von Orbitalprothesen ergab ähnliche, jedoch im Vergleich zu unserem Workflow unterschiedliche Produktionsschritte. Während das computergestütztes Design (CAD) das Kernelement bei der Umstellung auf den automatisierten Prothesenherstellungsprozess gegenüber den traditionellen Herstellungsmethoden bleibt [6, 12-24, 26], beschreibt keiner der Berichte den Einsatz dieser automatisierten Technologien von der digitalen Datenerfassung bis zur Prothesenherstellung in einem einzigen Termin mit dem Patienten. Einige Projekte berichten über die manuelle Bestimmung der Symmetrieebene des Patienten, während andere die Defekttopographie nicht nutzen. In einigen Fällen werden noch Wachsmodelle hergestellt, was den Herstellungsprozess verlängert und verkompliziert.

Vier Studien weisen einige Ähnlichkeiten zu unserem kontaktlosen Mapping der Gesichtstopographie auf, der Workflow variierte jedoch [14, 15, 19, 20]. Liu [19] kombinierte zur Erfassung des digitalen Scans die Anwendung eines großen, bodenmontierten Gesichtsscanners mit einem intraoralen Scanner. Bei der Erfassung der Topographie des kontralateralen Auges gleitet ein intraoraler Scanner über das gesunde Auge, wobei das Auge mit einer lichtdichten Kontaktlinse geschützt wird. Die beiden Scans werden zusammengeführt und als .stl-Dateien in Geomagic Studio importiert, um Prothese und Gussform digital zu erstellen. Alle Farbanpassungen wurden von Hand durchgeführt. Chiu [20] verwendete 3D-Photogrammetrie anstelle eines tragbaren Scanners mit Rekonstruktionssoftware und einer Sculpting-Software, um das gespiegelte Auge des Patienten auf den Orbitaldefekt zu projizieren und die Form für den 3D-Druck mit thermoplastischem Polymer zu erstellen. Bi und Kollegen [14] verwendeten integrierte optische Scanverfahren, computergestütztes Design und Rapid-Prototyping-Technologie, um Negativformen für die Herstellung von Orbitalprothesen zu entwickeln.

Bei Rapid Prototyping handelt es sich um die schnelle Herstellung einer Konstruktion durch additive Fertigung oder 3D-Druck. Als Material wurde A-RTV-30-Silikon verwendet, und die endgültige Prothese wurde durch Aufbringen der extrinsischen Färbung auf die blassgraue Silikoneinheit anstelle der Anwendung einer intrinsisch gefärbten Einheit vervollständigt. Yoshioka und Kollegen [15] lieferten eine berührungslose Scan-Methode ähnlich unserer Technik, jedoch nutzte diese einen Laser und nicht die weniger invasive Blaulichttechnologie für den Scan. Die Prothese wurde im Spiegelverfahren in der CAD-Software modelliert. Mit einem 3D-Drucker wurde dann eine Negativform für einen Wachsprototyp der Prothese hergestellt, der anschließend auf dem Gesicht des Patienten angepasst wurde. Anschließend wurde der Prototyp mit intrinsisch eingefärbtem Silikonmaterial verpackt. Für die Anpassung und Texturierung des Wachsmodells war ein hohes Maß an Kunstfertigkeit erforderlich, bevor das endgültige Exemplar mit Silikon erstellt wurde. Die Färbung erfolgte von Hand, da keine Beschreibung einer automatisierten Methode zur Standardisierung der Grundhautfarbe mit einer objektiven, reproduzierbaren Rezeptur vorlag.

Unsere Ergebnisse zeigten auch, dass unser neues Verfahren keinen Zugang zu einem qualifizierten Prothetiker erfordert und somit das Potenzial hat, ein effizientes, standardisiertes Herstellungsverfahren für maßgefertigte Orbitalprothesen bereitzustellen, unabhängig davon, wo sich der Patient befindet. Die archivierten Datensätze ermöglichen schnelles, präzises digitales Sculpting zur Verfeinerung der Schnittstelle von Prothesenrand zu Haut oder die Korrektur von Fehlern an der gefertigten Einheit, ohne dass der Patient physisch anwesend sein muss. Darüber hinaus werden Kosten und Herstellungszeit nachfolgender Prothesen bei Verlust, Beschädigung oder Änderung der kosmetischen Übereinstimmung durch Aufbewahrung der digitalen und physischen Versionen der Prothese und der Gussformen drastisch reduziert. Für eine Ersatzeinheit wäre die Anwesenheit des Patienten nicht erfordern, es sei denn, der Austausch wäre durch eine größere Veränderung der Gesichtstopographie notwendig. Es ist wichtig zu beachten, dass keiner der Autoren eine Ausbildung in der Prothesenherstellung hatte oder zu irgendeinem Zeitpunkt einen Okularisten konsultierte, was die Fähigkeit dieses Prozesses zeigt, den globalen Zugang zu Orbitalprothesen zu verbessern.

Dank der Vielseitigkeit der Remote-Dateifreigabetechnologien können wir uns vorstellen, dass die Gesichtstopographie und der Hautfarbton eines Patienten vor Ort, im Ausland oder sogar in abgelegenen Teilen der Welt erfasst und zur digitalen Modellierung und Verarbeitung an einen zentralen Ort hochgeladen werden können. Die einzige Ausrüstung, die am Scan-Standort benötigt wird, sind ein hochauflösender Scanner, ein Kolorimeter und eine hochauflösende Kamera. Sobald die digitalen Scandaten erfasst und archiviert sind, kann die Herstellung einer Ersatzprothese zentralisiert werden, ohne dass eine weitere Scansitzung erforderlich ist. Traditionelle Methoden zur Herstellung von Gesichtsprothesen beruhen auf Formen aus Dentalgips, die sich mit jedem weiteren Abdruck abbauen, was ihre Wiederverwendbarkeit eingeschränkt [27]. Die in diesem Workflow verwendeten 3D-gedruckten ABS-Formen verfügen über die erforderliche Steifheit und chemische Kompatibilität und Stabilität, um mehreren Wiederholungen des Silikonabdrucks standzuhalten [26, 28]. Darüber hinaus können aus den digitalisierten Daten beliebig neue Formen erzeugt werden, sodass der Patient nicht für einen erneuten Scan zurückkehren muss. Ein weiterer Vorteil dieses Workflows ist die Anpassungsfähigkeit bei der Integration neuer Materialien, sobald diese verfügbar sind: Der Ultimaker 3D-Drucker, der in dieser Studie verwendet wird, kann eine Vielzahl von thermoplastischen Filamenten verarbeiten, um Formen mit unterschiedlichen chemischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen, während die Verwendung von Silikon durch jedes bei Raumtemperatur aushärtende duroplastische Elastomer ersetzt werden kann.

Die Schritte, die diesen Worflow zeitlich etwas bremsen, sind der 3D-Druck der digital entworfenen Form und der Guss der Silikonprothese, mit einer Dauer von etwa 20 bzw. 16 Stunden (Tabelle). Es ist jedoch zu beachten, dass diese Proof-of-Principle-Studie mit einem Auftisch-3D-Drucker für den Hobbybereich durchgeführt wurde. Wir gehen davon aus, dass die Druckzeit für die ABS-Form mit dem Verfügbarwerden neuerer Technologien für 3D-Drucker oder durch den Einsatz von 3D-Druckern für die industrielle Produktion drastisch verkürzt werden kann. In ähnlicher Weise könnte das Aufkommen innovativer Druckmaterialien, die in der Lage sind, ultrarealistische anatomische Strukturen direkt in voller Farbe zu drucken, die Notwendigkeit der Herstellung einer Gussform gänzlich überflüssig machen. Erfahrung in digitaler Modellierung und Anpassung von Gesichtsdaten zur Gestaltung der Prothese, insbesondere der Schnittstelle zwischen Rand und Haut, bleibt ein wichtiger Schritt bei der Herstellung eines nahezu perfekten ersten Exemplars.

Zusammenfassend demonstriert unsere Proof-of-Concept-Studie die einfache Handhabung und Integration fortschrittlicher digitaler Technologien für die effiziente Herstellung einer komplexen Orbitalprothese, die traditionell einen geschulten Anaplastologen mit Fachkenntnissen im Bereich des Gussformenbaus erfordert, um die Prothese von Hand zu formen. Unsere Erkenntnisse zeigen, dass mit dem beschriebenen Workflow eine Orbitalprothese mit guter Gesichtssymmetrie, Hauttonübereinstimmung, Prothesensitz und Tragekomfort hergestellt werden kann. Die archivierten Datensätze ermöglichen eine schnelle, präzise digitale Manipulation, um die Schnittstelle zwischen Prothesenrand und Haut zu verfeinern oder etwaige Fehler in der hergestellten Prothese nachzubessern, ohne dass der Patient anwesend ist. Dieses neuartige Methode zum Mapping der Gesichtstopographie, 3D-Druck und Silikonguss hat das Potenzial, den weltweiten Zugang zu Orbitalprothesen für unterversorgte Bevölkerungsgruppen zu verbessern.

a. Finanzierung/Unterstützung: Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt durch: NIH Center Core Grant P30EY014801; Research to Prevent Blindness Unrestricted Grant, Inc., New York, New York; und den Dr. Nasser Ibrahim Al-Rashid Orbital Vision Research Fund. Der Sponsor oder die Förderorganisation hatte keine Funktion bei der Gestaltung oder Durchführung dieser Forschung.

b. Finanzielle Angaben: Keine finanziellen Angaben.

EH Weisson: Methodik, Software, formale Analyse, Untersuchung, Datenkuratierung, Schreiben-Original & Überarbeitung, Visualisierung; M Fittipaldi: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Schreiben-Original & Überarbeitung; CA-Konzeption: Methodik, Software, Formale Analyse, Untersuchung, Datenkuratierung, Schreiben-Überarbeitung & Redaktion, Visualisierung; D Pelaez: Methodik, Formale Analyse, Untersuchung, Datenkuratierung, Schreiben-Überarbeitung & Redaktion, Visualisierung, Supervision, Projekt-Verwaltung; L Grace: Konzeptionierung, Methodik, Schreiben-Überarbeitung und Redaktion, Supervision; DT Tse: Konzeptionierung, Methodik, Formale Analyse, Untersuchung, Validierung, Schreiben des Originalentwurfs, Schreiben-Überarbeitung & Redaktion, Visualisierung, Projektverwaltung, Ressourcen, Mittelbeschaffung

Weisson EH, Fittipaldi M, Concepcion CA, Pelaez D, Grace L, Tse DT: Automated Noncontact Facial Topography Mapping, 3-Dimensional Printing, and Silicone Casting of Orbital Prosthesis. Am J Ophthalmol. 2020;220:27–36 (DOI: 10.1016/j.ajo.2020.06.032) © 2020 Elsevier Inc. (Übersetzung; Publisher's Disclaimer gekürzt). Reprinted with permission.