Martin Klein: Implantatfixierte Orbitaepithese mit myoelektrisch gesteuertem beweglichem Oberlid
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Aus der Klinik und Poliklinik
für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Plastische Operationen
Charité Campus Virchow-Klinikum

der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin
(Leiter: Prof. Dr. Dr. J. Bier)

Habilitationsschrift

Implantatfixierte Orbitaepithese mit myoelektrisch gesteuertem beweglichem Oberlid

Zur Erlangung der
venia legendi

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Dr.med. Dr.med.dent. Martin Klein
aus Recklinghausen

Dekan: Prof. Dr. Dudenhausen

Gutachter:
1. Prof. Dr. Dr. Ehrenfeld
2. Prof. Dr. Dr. Gundlach

Datum der Promotion: 03. April 2001

Datum der Einreichung: 21. Juli 1999

Abstrakt

Einen Orbitadefekt mit Verlust des Auges und der filigranen Lidstrukturen kann eine implantatverankerte Silikonepithese im Halt sicher und bei geöffnetem Auge ästhetisch mit gutem Ergebnis abdecken. Bei Lidschluß fällt allerdings die Starrheit der Lider in der Epithese auf. Ziel der Entwicklung war es, das künstliche Oberlid in der Orbitaepithese beweglich zu gestalten und so durch die gewonnene Dynamik ein natürlicheres Aussehen beim Patienten zu erreichen. In der Epithese sollten alle Komponenten integriert sein, um das künstliche Oberlid synchron zum gesunden Auge zu bewegen. Als bewegliches Oberlid erwies sich gegossene Latexmilch als Material am geeignetsten. Dieses Material war elastisch, einfärbbar und konnte den Belastungen der ungefähr 30 unwillkürlichen Lidschlagbewegungen pro Minute standhalten. Das künstliche Oberlid wurde analog dem natürlichen Vorbild des Lidöffners nach dem Prinzip der Zuggurtung über die Augenprothese nach oben hinten gezogen. Als Antrieb wurde ein DC-Mikromotor eingesetzt, der das Oberlid mit Hilfe eines kleinen Polyamidfadens, welcher an der inneren verstärkten Lidkante befestigt war, nach kranial bewegte. Der Faden wurde über eine Kanülenführung auf eine Seilrolle gewickelt. Nachdem sich ein aufgebautes Tischmodell im Test bewährt hatte, wurde eine einbaufähige elektronische Schaltung in SMD-(Surface Mounted Device) Technik entwickelt, die einerseits den Antrieb steuerte und andererseits die zur Synchronisation erforderlichen Muskelpotentiale verarbeitete. Diese zwei doppelseitig bestückten Platinen wurden direkt hinter die individuell aus Glas vom Okularisten hergestellte Augenprothese positioniert. Über fünf integrierte einstellbare Potentiometer konnten die abgeleiteten Muskelsignale für eine verzögerungsfreie Lidbewegnung beim Patienten individuell verändert werden. Die Energiebereitstellung für die Elektronik und den Motor konnte aufgrund der zu niedrigen Nennkapazitäten nicht durch Akkumulatoren erfolgen, sondern wurde durch eine kleine leicht auswechselbare Batterie erreicht, die hochgerechnet Strom für 7 bis 14 Tage lieferte. Da die einzelnen Komponenten nicht frei in der Epithese liegen konnten, wurde als Schutz ein Gehäuse in hartem Acrylatkunststoff konzipiert. Da die Anordnung der Batterie unter oder hinter dem Motor möglich war und auch die Elektronik versetzt zu Batterie und Motor angebracht werden konnte, konnte so die Geometrie des Gehäuses in Grenzen dem individuellen Orbitadefekt angepaßt werden. In klinischen Versuchen an gesunden Probanden und Patienten mit implantatverankerten Orbitaepithesen zeigte sich, daß Muskelpotentiale vom M. orbicularis oculi aus dem gesunden Oberlid oder teilweise der exenterierten Orbita mit Restaktivität des Lidschließers mit Nadelelektroden bipolar abgeleitet zur Ansteuerung des Motors geeignet waren. Mit diesen Biopotentialen wurde das reibungslose Funktionieren der synchronen Lidbewegung des Prototypen an einer freiwilligen gesunden Versuchsperson getestet. Nach umfangreichen Labortestungen wurden zwei Patienten mit dieser neuartigen Orbitaepithese rehabilitiert. Bei den Patienten wurde das passende Gehäuse mit den gekapselten Funktionseinheiten individuell hergestellt und dieses in eine Silikonepithese eingearbeitet. Gehalten wurde die Silikonepithese über implantatfixierte Magnetabutments. Die Muskelpotentialableitung zur Triggerung der synchronen Lidbewegung erfolgte durch eine intramuskuläre EMG - Ableitung des M. orbicularis oculi. Beim ersten Patienten gelang dieses über eine sterile Nadelelektrode, die allerdings beim Tragen der neuen Orbitaepithese jedes Mal neu in den Muskel eingestochen werden mußte. Beim zweiten Patienten wurden die Muskelpotentiale über eine subcutan implantierte dünne EMG - Elektrode aufgenommen. Die Myosignale wurden bei beiden Patienten bipolar abgeleitet. Die zweite differente Elektrode kontaktierte einen implantatfixierten Magneten. Die Neutralelektrode war mit einem weiteren implantatverankerten Magneten verbunden. Die abgeleiteten Muskelimpulse beim Lidschlag konnten so bei den Patienten eine zum gesunden Oberlid synchrone künstliche Lidbewegung initiieren. Da die Bauteile zur künstlichen Lidbewegung noch nicht beliebig klein zu gestalten sind, können zur Zeit noch nicht alle Orbitaepithesenträger mit der neuartigen Epithese rehabilitiert werden. Um bei Patienten mit kleineren Orbitadefekten die Epithese eingliedern zu können, muß sich die zukünftige Forschung auf eine noch weitere Größenreduktion der einzelnen Komponenten konzentrieren. Durch die Entwicklung von telemetrischen Verfahren wird es möglich sein, die von einer intramuskuären implantierten, für diese Anwendung optimierten EMG - Elektrode emfangenen Signale ohne infektionsgefährdete Hautdurchleitung zur Epithese zu übertragen.

Eigene Schlagworte: Orbitaepithese, Kraniofaziales Implantat, Orbitadefekt, Augenlidbewegung

Abstract

An orbit defect with loss of the eye and its delicate lid structures can be concealed with an implant anchored silicon facial prosthesis. This method assures secure retention and good esthetic results as long as the eye remains open. However, when the healthy lid closes, the immobility of the prosthesis becomes conspicuous. The aim of this development was to animate the artificial lid in the orbita prosthesis to give the patient a much more natural appearance. All components in the prosthesis were integrated to create an artificial lid that would blink in synchrony with that of the healthy eye. The material which proved to be most suited for the moveable eyelid was cast latex milk. It was elastic, would take dyes and was robust enough to withstand approximately 30 involuntary lid movements per minute. The artificial upper lid was pulled up behind the eye prosthesis by means of a fine thread, analogous to the natural lid opener. This is driven by a DC micromotor which lifts the upper lid in a cranial direction with a polyamid thread attached to the reinforced rim of the lid. The thread was wound onto a minute pulley. After a successful model had been constructed, an electronic circuit was developed in SMD (Surface Mounted Device) technique which drove the motor and processed the muscle potential necessary for the synchronization. These two double-sided circuit boards were positioned directly behind the artificial eye, which had been created specially by an ophthalmologist. By means of five integrated potentiometers, the muscle signals picked up were individually modified and adjusted to eliminate any delays in the lid movement. The low nominal capacity provided by accumulators ruled them out as a possible power supply for the electronics and motor, and instead, a small, light replaceable battery, capable of powering the motor for 7 to 14 days, was chosen. The individual components were then assembled and housed in a case of rigid acrylate plastic. It was possible to position the battery either under or behind the motor and to and stagger the electronics parts to the position of the battery and motor. This enhanced the adaptability of the case's geometric form to the individual orbit defect. Clinical tests with healthy test persons and patients with implant-anchored orbital prostheses demonstrated that muscle potentials from the orbicularis oculi muscle could be picked up from the healthy upper lid with bipolar needle electrodes. This was also possible in some cases when after exenteration the orbicularis oculi muscle remained partially active and continued to emit muscle potentials. With these biopotentials, the synchronic lid movement of the prototype was tested on a voluntary healthy test person. It functioned flawlessly. After extensive laboratory tests, two patients were rehabilitated with the new orbita prosthesis. For each patient a case for the components was designed and fitted into a silicone prosthesis retained with implant-anchored magnet abutments. The muscle potentials were conducted by an intramuscular electromyography (EMG) to trigger synchronous lid movement. With the first patient, a sterile needle electrode was used, but this had to be reinserted into the muscle each time the prosthesis was fitted. In the second patient the muscle potentials were picked up via a thin EMG-electrode implanted subcutaneously. In both cases bipolar conduction was taken. The second different electrode was attached to one implant-anchored magnet; the neutral electrode to another. In both patients, the muscle impulses emitted during lid closure initiated an artificial lid movement in synchrony with the healthy eyelid. Since the component parts cannot be reduced beyond a certain minimum size, not all orbit prosthesis wearers can be rehabilitated with the new prosthesis. In order to fit patients with smaller defects, future research will have to concentrate on a further reduction in component size. With further developments in telemetric procedures it will become possible to transmit signals received from a EMG electrode implanted in the muscle to the prosthesis without the dangers of infection inherent in conducting them through the skin.

Keywords: orbita prosthesis, craniofacial implant, orbit defect, eyelid movement

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16.12.2004