Schädelform in 3D berechnen – Reduktion von Röntgenaufnahmen möglich

Ein neues mathematisches Modell des Schädels könnte in Zukunft dazu beitragen, bei medizinischen Untersuchungen des Kopfes mit wenigen oder sogar ganz ohne Röntgenaufnahmen auszukommen und so die Strahlenbelastung für Patientinnen und Patienten deutlich zu reduzieren.

Viele Kinder und Jugendliche tragen für eine bestimmte Zeit eine Zahnspange, weil sie eine Fehlstellung des Kiefers haben. Um die Zahnspange an den jeweiligen Kiefer anzupassen, sind umfassende Untersuchungen notwendig. Dazu gehören auch Untersuchungen mit Röntgenstrahlen, bei denen in der Regel der komplette Kiefer aufgenommen wird.

Heutige Röntgengeräte sind moderner als früher und lassen sich zielgerichtet einsetzen. „Trotzdem steigt die Dosis durch Röntgenaufnahmen nachweislich seit den 1990er-Jahren Jahr für Jahr an, so dass alle Maßnahmen zum Strahlenschutz zu begrüßen sind. Insbesondere Kinder und Jugendliche mit ihrer überproportional erhöhten Strahlenempfindlichkeit sollten so wenig Strahlung ausgesetzt werden wie möglich“, sagte Prof. Ralf Schulze von der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universitätsmedizin Mainz. Er leitet eine Arbeitsgruppe im Forschungsschwerpunkt BiomaTiCS – Biomaterials, Tissues and Cells in Science der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der sich mit der Interaktion von Geweben und Zellen mit körperfremden Materialien und Oberflächen beschäftigt.

Ziel des Verbundprojektes Kephalos ist es daher, eine Methode zu entwickeln, die es erlaubt, die Form des Gesichtsschädels auf Basis von maximal einer Röntgenaufnahme in Verbindung mit einem Gesichtsscan zu berechnen. Damit ließe sich die Strahlungsdosis für bestimmte Untersuchungen deutlich reduzieren. „In dem Projekt zeigte sich, dass die Berechnung des Gesichtsschädels schon alleine mit einem Gesichtsscan möglich ist. Dies hatten wir ursprünglich nicht erwartet“, sagte Prof. Ulrich Schwanecke, Leiter der Forschungsgruppe Computer Vision and Mixed Reality an der Hochschule RheinMain.

Grundlage des präsentierten Verfahrens sind statistische Modelle, welche die Variation von Gesichtern, Gesichtsschädeln sowie der Hautdicke im Gesicht beschreiben. Um die Modelle zu erhalten, analysierten die Forschenden dreidimensionale Aufnahmen von rund 40 Schädeln und 80 Gesichtern, die im Wesentlichen aus der Universitätsmedizin Mainz stammten.

Modell lässt sich in zwei Richtungen anwenden

„Unser erstes Ziel war es, den Schädel einer Person anhand ihrer Gesichtsform zu berechnen“, sagte Schwanecke. Diese Methode wurde im vergangenen September auf dem Eurographics Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine veröffentlicht. Doch auch das Gegenteil funktioniert: Die Forschenden können rekonstruieren, wie ein Gesicht ausgesehen haben könnte, wenn ihnen ein Schädel vorliegt. „Das ist zum Beispiel für die Forensik interessant, oder auch für die Anthropologie.“

Berechnen lässt sich mit dem Modell dann die dreidimensionale Form eines Gesichts. Dieses sieht allerdings ganz unterschiedlich aus, je nachdem, ob die Person sehr schlank oder aber übergewichtig ist. „Wir erstellen deshalb verschiedene Varianten“, erklärt Jascha Achenbach, der als Doktorand in Bielefeld an dem Projekt mitarbeitet. Eigentlich wirkt die Haut am Schädel vergleichsweise dünn und liegt eng an. Deshalb könnte man annehmen, dass man leicht vom Gesicht auf den Schädel schließen könnte. „Das ist aber nicht so einfach möglich“, sagte Prof. Mario Botsch, Leiter der Forschungsgruppe „Computergrafik und Geometrieverarbeitung“ vom Exzellenzcluster CITEC der Universität Bielefeld. Ein Grund dafür ist, dass die Dicke der Haut stark variiert: Je nachdem, wie dick oder dünn sie an den einzelnen Stellen ist, kann der Schädel darunter ganz unterschiedlich aussehen. Genau das berücksichtigen aber nun die statistischen Modelle.

Weniger Röntgenstrahlung bei kieferorthopädischen Behandlungen

„Ich gehe davon aus, dass wir auf Basis dieser Modelle zum Beispiel die Anzahl von Röntgenuntersuchungen bei kieferorthopädischen Behandlungen reduzieren können“, zeigte sich Schwanecke optimistisch. Das erwarten auch Thomas Gietzen und Robert Brylka von der Hochschule RheinMain. Sie arbeiten als Doktoranden im Projekt Kephalos. „Notwendig für unsere Berechnung ist nur ein Oberflächenscan des Gesichts. Dieser kann zusätzlich noch durch eine einzige Röntgenaufnahme von der Seite unterstützt werden“, sagte Gietzen.

Originalpublikation:
Gietzen T. et al.: A method for automatic forensic facial reconstruction based on dense statistics of soft tissue thickness. PLOS One, 23. Januar 2019