Auswertung der Anatomie des Innenohres hinsichtlich der Genauigkeitsanforderungen für einen minimal-invasiven Zugang

Aus der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde der Medizinischen Hochschule Hannover

Auswertung der Anatomie des Innenohres hinsichtlich der Genauigkeitsanforderungen

für einen minimal-invasiven Zugang

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin in der Medizinischen Hochschule Hannover

vorgelegt von Diana Kreul aus Aschaffenburg

Hannover 2017

Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover: 13.04.2018

Präsident: Prof. Dr. med. Christopher Baum Wissenschaftliche Betreuung: PD Dr. med. Omid Majdani

1. Referent: Prof. Dr. med. Lars Knudsen

2. Referent: Prof. Dr. med. Dr. med. dent. Frank Tavassol

Tag der mündlichen Prüfung: 13.04.2018

Prüfungsausschuss

Vorsitz: Prof. Dr. med. Dr. h.c. Martin Ptok 1. Prüfer: Prof. Dr. med. Burkard Schwab 2. Prüfer PD Dr. med. dent. Ingmar Staufenbiel

Gedruckt mit Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung ... 6

Abstract ... 7

1. Einleitung ... 8

1.1. Anatomie ... 8

1.1.1. Schläfenbein ... 8

1.1.2. Mittelohr ... 8

1.1.3. Nervus facialis ... 9

1.1.4. Innenohr ... 10

1.2. Physiologie ... 15

1.2.1. Schallleitung ... 15

1.2.1.1. Luftleitung ... 15

1.2.1.2. Knochenleitung ... 16

1.2.2. Signaltransduktion ... 16

1.3. Das Cochlea-Implantat ... 17

1.3.1. Geschichte der Cochlea-Implantat Versorgung ... 18

1.3.2. Cochlea-Implantat Aufbau ... 19

1.3.3. Indikationen zur Cochlea-Implantat-Versorgung ... 22

1.4. Operative Zugangswege ... 23

1.4.1. Insertionslokalisationen im Bereich der Cochlea... 25

1.4.2. Optimierte präoperative Planung ... 26

1.4.3. Intra- und postoperative Komplikationen ... 27

1.4.4. Entwicklungen der minimal-invasiven Chirurgie ... 28

1.5. Motivation ... 30

2. Material und Methoden ... 31

2.1. Bereitgestelltes Proben- und Bildmaterial ... 31

2.1.1. Einbettung ... 31

2.1.2. Schliffpräparation ... 32

2.1.3. Bildfusion ... 33

2.2. Bearbeitung des Bildmaterials ... 33

2.2.1. Datenvisualisierung in der Software Amira® ... 34

2.2.2. Datenselektion ... 38

2.2.3. Segmentierung ... 39

2.2.4. Bearbeitung von fpVCT-Daten in Amira® ... 41

2.2.5. Oberflächengenerierung ... 42

2.3. Glättung, Registrierung und Messungen an den Innenohrpräparaten ... 43

2.3.1. Datenglättung ... 44

2.3.2. Registrierung fpVCTs mit Schliffpräparaten ... 45

2.3.3. Messungen der Genauigkeitsanforderungen ... 48

2.4. Bearbeitung der Messwerte ... 54

3. Ergebnisse ... 55

3.1. Messergebnisse ... 56

3.1.1. Messergebnisse für Insertionswinkel 1 ... 57

3.1.2. Messergebnisse für Insertionswinkel 2 ... 59

3.2. Individuelle Benutzervariabilität ... 62

3.2.1. Benutzervariabilität für Insertionswinkel 1... 63

3.2.2. Benutzervariabilität für Insertionswinkel 2... 64

4. Diskussion ... 66

4.1. Diskussion der Bilddatenerstellung ... 66

4.1.1. Auslassung Scala media ... 66

4.1.2. Visualisierungsproblematik feiner Membranen ... 67

4.2. Diskussion der Ergebnisse ... 68

4.2.1. Vergleich der Insertionswinkel ... 68

4.2.2. Vergleich der Qualitätskategorien ... 72

4.3. Vergleich mit dem Literaturwert ... 77

4.4. Vergleich zur reinen Rundfensterinsertion ... 80

4.5. Ausblick ... 81

5. Zusammenfassung ... 82

Thesen ... 89

Literaturverzeichnis ... 91

Abbildungsverzeichnis ... 103

Tabellenverzeichnis ... 105

Abkürzungsverzeichnis

AG Arbeitsgemeinschaft

BM Basilarmembran

CAS Computer aided surgery, computer-asssistierte Chirurgie CI Cochlea-Implantat

CT Computertomographie

DCA direct cochlea access, direkter Cochleazugang DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine EAS Elektro-akustische Stimulation

ERA evoked response audiometry

fpVCT flat-panel-based volume-computertomography, deutsch:

flächendetektorbasierte Volumencomputertomographie GDCM Grassroots DICOM library

HdO Hinter-dem-Ohr HNO Hals-Nasen-Ohren

ITK insight segmentation and registration Toolkit MPTA Mastoidektomie mit posteriorer Tympanotomie MRT Magnetresonanztomographie

NF Nervus facialis

OP Operation

OSL Lamina spiralis ossea

OWM Oval window membrane, Ovalfenstermembran RWM round winow membrane, Rundfenstermembran SD Standardabweichung

SMA suprameataler Zugang s. S. siehe Seite

STL Standard Triangulation Language ST Scala tympani

SV Scala vestibuli VTK Visualization Toolkit XML extensible markup language ZNS Zentrales Nervensystem µCT Mikro-Computertomographie

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Kurzfassung

Hintergrund: Die Entwicklungen der Innenohrchirurgie bewegen sich zu einem atraumatischen, minimal-invasiven Vorgehen. Dafür geeignet sind navigationsgestützte Robotersysteme, die auf Basis präoperativer Bildgebung eine gezielte Bohrung bis zum Cochleostomiegebiet vorsehen. In der Literatur wird dafür eine Genauigkeitsanforderung am Zielpunkt von 0,5 mm zitiert. Zur Überprüfung dieses Wertes wurde die hier vorliegende Studie mit Hilfe moderner und hochauflösenden Schliffbilddatensätze durchgeführt.

Studiendesign: Experimentell (8 Humanfelsenbeinpräparate)

Material und Methoden: Es wurden acht Schliffpräparate von Felsenbeinen zur Erstellung von dreidimensionalen Cochleamodellen genutzt. Die Segmentierung erfolgte in der Software Amira® 5.6. Innen- und Mittelohrstrukturen wurden für jeden Datensatz manuell segmentiert und in ein dreidimensionales Volumenmodell überführt. Die anschließend durchgeführten Genauigkeitsmessungen berücksichtigten den intraoperativen Spielraum durch den Recessus facialis bei Insertion der Elektroden, sodass für jedes Präparat Messungen mit zwei unterschiedlichen Eindringwinkeln durchgeführt wurden.

Ergebnisse: Bei Verwendung von 0,6-mm-Elektrodendurchmessern ergaben sich für Winkel 1 ein durchschnittlicher Sicherheitsradius im Cochleostomiegebiet von 0,48 mm (± 0,05 mm), für Winkel 2 von 0,43 mm (± 0,04 mm).

Diskussion: Bei der in der Literatur angegebenen Genauigkeitsanforderung von 0,5 mm handelt es sich um ein Toleranzintervall basierend auf Messungen an einem einzigen Humanpräparat, sowie auf Verwendung eines 0,5-mm-Implantats. Nach intensiver Auseinandersetzung mit der entsprechenden Publikation zeigte sich, dass es sich bei diesem Intervallwert um eine Durchmesserangabe handelt, sodass die zulässige Ungenauigkeit vom Zielpunkt bei 0,25 mm Radius liegt. Diese strengen Anforderungen konnten im Rahmen der hier durchgeführten Studie nicht bestätigt werden. Je nach verwendetem Zugangswinkel liegen die vertretbaren Sicherheitsradien auf dem doppelten Niveau dieses Wertes, selbst bei Verwendung der Standardimplantate mit einem Durchmesser von 0,6 mm. Schlussfolgernd liegen die Genauigkeitsanforderungen an navigationsgestützte Robotersysteme zwischen 0,48 mm (± 0,05 mm) und 0,43 mm (± 0,04 mm) und sind dadurch weniger streng, als der interpretierte Literaturwert.

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Abstract

Background: Developments in inner ear surgery move to minimally invasive approaches to gain access to the cochlea. Therefore, robotic assistance is useful which provides a single drilling hole to the cochleostomy target area. In literature, a value of 0.5 mm for accuracy is given. The aim of this study was to validate this value based on modern and high-resolution histological sections.

Study design: Experimental (eight cadaveric human temporal bones).

Methods: Eight human temporal bone specimens including inner and middle ear structures were utilized to create three-dimensional models of the cochlea. Segmentation was performed with Amira® 5.6. Each inner and middle ear structure was manually segmented and transferred to a volume-model. Accuracy measurements at the cochleostomy area were performed considering the intraoperative scope through the facial recess. Two values for two different access angles resulted.

Results: For cochlear-implants with a diameter of 0.6 mm a mean safety radius of 0.48 mm (± 0.05 mm) resulted for access angle 1 and of 0.43 mm (± 0.04 mm) for access angle 2.

Conclusion: In literature, there is entered a tolerance range of 0.5 mm by using 0.5-mm- diameter-implants. These measurements based on studies with a single human temporal bone.

After analysis of the publication, it showed up that this value is the diameter. Concluding, the permissible deviation is 0.25 mm radius from the target point. Those strict requirements cannot be confirmed in this study. The results for both access angles were above this value even by using bigger 0.6-mm-implants so that the accuracy requirements for navigation based robotic systems are not quite that strict.

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1. Einleitung

1.1.Anatomie

1.1.1. Schläfenbein

Das Schläfenbein ist ein Knochen der Schädelbasis, der das Mittel- und Innenohr enthält und als Durchtrittsstelle für zahlreiche Nerven und Gefäße fungiert. Der Knochen entwickelt sich aus drei Anteilen, die einheitlich zusammenwachsen: Pars squamosa, Pars petrosa (Felsenbein) und Pars tympanica. Im Bereich der Pars petrosa treten Arteria carotis interna, Vena jugularis interna und der Nervus facialis (NF) durch den Knochen. Aus dem Nervus facialis geht die Chorda tympani hervor, die frei durch das Mittelohr zieht und bei Operationen in diesem Bereich gefährdet ist (siehe 1.1.3.). Der Processus mastoideus der Pars petrosa bildet die Cellulae mastoidea, welche luftgefüllte Kammern sind, die über die Tube mit dem Nasenrachenraum zum Druckausgleich des Mittelohres in Verbindung stehen.^{9, 104}

1.1.2. Mittelohr

Durch das Trommelfell wird der äußere Gehörgang (Meatus acusticus externus) vom Mittelohr abgegrenzt. Das Trommelfell ist an einem Faserknorpelring, dem Anulus fibrocartilagineus, straff aufgehängt, welcher mit dem umliegenden Knochen verwachsen ist. Das Mittelohr liegt in der Pars petrosa des Os temporale und besteht aus Cavitas tympanica (Paukenhöhle) und den drei Gehörknöchelchen Malleus (Hammer), Incus (Amboss) und Stapes (Steigbügel). Die drei Gehörknöchelchen sind durch zwei Gelenke beweglich miteinander verbunden, dem Articulatio incudomallearis zwischen Malleus und Incus und dem Articulatio incudostapedia zwischen Incus und Stapes. Begrenzt wird die Paukenhöhle nach medial durch die Paries labyrinthicus tympani, hinter welchem die Cochlea (Gehörschnecke) liegt. Die untere Schneckenwindung bildet eine Vorwölbung innerhalb der Paukenhöhle, als Promontorium bezeichnet, von welcher kranial das ovale Fenster (Fenestra ovalis) und kaudal das runde Fenster (Fenestra cochleae) liegt. Beide Fenster sind durch eine gleichnamige Membran überdeckt. Die Bodenplatte des Steigbügels ist über die Syndesmosis tympanostapedia beweglich mit der Ovalfenstermembran (OWM) fixiert. Die dorsale Wand des Mittelohres wird durch die Paries mastoideus tympani gebildet, worüber die Paukenhöhle Verbindung zu den pneumatisierten Knochenzellen des Mastoids erhält. Nach lateral wird die Paukenhöhle durch die Membrana tympani (Trommelfell), welches die Paries membranaceus tympani bildet,

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limitiert. Ventral liegt die Paries caroticus tympani, hinter welcher die Arteria carotis interna verläuft. Im oberen Teil dieser Wand mündet die Tuba auditiva (Ohrtrompete) in die Paukenhöhle, wodurch eine Verbindung zum Nasen-Rachen-Raum besteht.^{9, 104}

1.1.3. Nervus facialis

Der Nucleus nervi facialis bildet das Hauptkerngebiet des Nervus facialis und enthält motorische Faseranteile, die bei ihrem Austritt aus dem Kerngebiet das innere Fazialisknie bilden. Parasympathische Fasern aus dem Nucleus salivatorius superior und speziell somatosensible Fasern aus dem Nucleus tractus solitarii lagern sich als Nervus intermedius dem Nervus facialis an und treten mit ihm gemeinsam am Kleinhirnbrückenwinkel zwischen Pons und Olive aus. Anschließend zieht der Nervus facialis durch den Porus acusticus internus in den Canalis facialis des Felsenbeins, wo er kurz nach seinem Eintritt das äußere Fazialisknie bildet. Der erste aus dem Nervus facialis abgehende Nervenast, ist der Nervus petrosus major, welcher das Felsenbein verlässt und Tränen-, Nasen- und Speicheldrüsen innerviert.¹⁰⁴ Der zweite Nervenast ist der Nervus stapedius, der durch motorische Fasern den Musculus stapedius innerviert. Dieser Muskel ist mit dem Steigbügelköpfchen verbunden und versteift bei hohen Schalldruckpegeln die Sehne des Stapes. Dadurch wird die Schallübertragung der Bodenplatte des Stapes auf die OWM abgemildert und das Innenohr vor hohen Lautstärken geschützt.⁸⁴ Oberhalb des Foramen stylomastoideum geht die Chorda tympani aus dem Nervus facialis hervor, zieht durch den Canaliculis chordae tympani frei durch die Paukenhöhle und von dort in die Fissura petrotympanica, wo sie sich dem Nervus lingualis anlegt. Die Chorda tympani enthält parasympathische Fasern und innerviert Unterkiefer-, Unterzungenspeicheldrüsen und Zungenspitzendrüsen. Ebenfalls enthält sie Fasern, die für das Geschmacksempfinden der vorderen 2/3 der Zunge zuständig sind.

Der Bereich zwischen Nervus facialis und der Chorda tympani wird als Recessus facialis bezeichnet, welcher der Zugangsweg für chirurgische Interventionen an der Cochlea ist und eine Weite von 1,0 – 3,5 mm hat.^{85, 104} Der Recessus wird nach kranial durch die Fossa incudis, nach medial durch ein Segment des Nervus facialis, nach lateral durch den Anulus fibrocartilagineus und nach kaudal durch die Chorda tympani begrenzt.¹⁸ Nach Austritt des Nervus facialis aus dem Felsenbein durch das Foramen stylomastoideum zweigt der Nervus auricularis posterior ab, welcher die hintere Ohrmuschel sensibel versorgt. Die übrigen Fasern

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des Nervus facialis bilden in der Ohrspeicheldrüse den Plexus intraparotideus, von dem aus kleine Äste die mimische Muskulatur motorisch innervieren.^{9, 104}

1.1.4. Innenohr

Das Innenohr liegt in der Pars petrosa des Schläfenbeins und besteht aus dem Labyrinthus osseus (knöchernes Labyrinth) und dem Labyrinthus membranaceus (häutiges Labyrinth). Das knöcherne Labyrinth ist ein Gangsystem innerhalb des Felsenbeins und wird aus Periost gebildet. Teile dieses Labyrinths sind das Vestibulum labyrinthi, die Canales semicirculares ossei (Bogengänge) und die Cochlea (siehe Abbildung 1). Zwischen dem knöchernen und dem häutigen Labyrinth befindet sich Perilymphe, wobei das häutige Labyrinth in den knöchernen Teil eingebettet und mit Endolymphe gefüllt ist. Anatomisch gehören zum häutigen Abschnitt der Ductus cochlearis, Sacculus, Utriculus, die Bogengänge und einige Kanäle, welche die Strukturen untereinander verbinden (Ductus utriculosaccularis, Ductus reuniens, Ductus endolymphaticus, Saccus endolymphaticus).⁹⁶ Die äußere Wand der Cochlea hat entrollt eine Länge von 32 –^{43,5 mm}.¹²⁸ Sie windet sich im Mittel 2¾-mal um ihre eigene Achse, die vom Modiolus gebildet wird.^{37, 51, 95}

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Abbildung 1: Anatomie des Innenohres

Der Querschnitt durch die Cochlea in Abbildung 2 zeigt, dass sie aus drei membranösen Kompartimenten aufgebaut ist. Der obere Teil wird als Scala vestibuli (SV) bezeichnet und ist ebenfalls wie der untere Teil, die Scala tympani (ST), mit Perilymphe gefüllt. Scala tympani und Scala vestibuli gehen am Helicotrema (Schneckenspitze) ineinander über. Über zwei membranös verschlossene Knochenöffnungen stehen sie mit der Paukenhöhle in Verbindung, die Scala vestibuli über das Fenestra ovalis (ovale Fenster), die Scala tympani über das Fenestra cochleae (runde Fenster). Ebenfalls besteht ein Bezug über den Aquaeductus cochleae mit dem Liquor cerebrospinalis, wodurch Infektionen des Gehirns in das Innenohr aufsteigen können.

Zwischen Scala tympani und Scala vestibuli liegt im lateralen Bereich der Cochlea die Scala media (Ductus cochlearis), welche mit Endolymphe gefüllt ist. Dieser Schlauch endet blind am Helicotrema und steht mit den beiden anderen nicht in direkter Verbindung. Die Scala media wird von der SV durch die Reissner-Membran abgegrenzt, von der ST durch die Basilarmembran (BM). Diese Membran entspringt einem knöchernen Vorsprung (Lamina spiralis ossea, OSL) des Modiolus und wird in Richtung Helicotrema dünner und breiter. Im

Knöchernes

Labyrinth Häutiges Labyrinth Cochlea Scala tympani Scala media Scala vestibuli anterior

posterior lateral Bogengänge

Ampullen Urticulus

Sacculus

Nervus vestibulocochlearis

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Inneren der Cochlea liegen Scala tympani und Scala vestibuli direkt übereinander und werden durch die OSL voneinander abgegrenzt.¹⁰⁴

Abbildung 2: Querschnitt durch die Cochlea

Das basale Ende der Cochlea windet sich in drei Dimensionen (anterior – posterior, lateral – medial, inferior – superior) und ähnelt in seiner Form einem Fischhaken, weshalb diese Region häufig auch als `hook` (deutsch: Haken) beschrieben wird (siehe Abbildung 3). Die Anatomie des Hook variiert sehr stark innerhalb der einzelnen Individuen, woraus sich hohe Anforderungen an die Bildgebung und die optimale Positionierung der Cochleostomie ergeben.^{96, 110} Ursächlich dafür sind eine Vielzahl von Strukturen, die in dieser Region zusammentreffen, wie das Ende der Scala tympani am runden Fenster, der Ursprung der Scala media und deren Verbindung über den Ductus reuniens mit dem Sacculus, das Ende der Scala vestibuli am ovalen Fenster, sowie der Aquaeductus cochlearis und die infracochleäre Vene.^45,

110

Scala vestibuli

Reissner Membran Tektorialmembran

Stria vascularis Corti-Organ

Nervenfasern der äußeren Haarzellen

Basilarmembran Scala tympani

Scala media

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Abbildung 3: Basales Ende der Cochlea mit hakenähnlicher Hook-Region (umrandet) – Zusammentreffen ST, RWM, SV, OWM und Sacculus; Datensatz TB5L, Amira®

Im Bereich der basalen Windung kommt es in der fetalen Entwicklung zu einem Wachstum von Knochenwänden, die eine trichterförmige Vertiefung von der Cavitas tympani hin zur Cochlea bilden. Diese als Rundfensternische bezeichnete Struktur ist von der gleichnamigen Rundfenstermembran (RWM) überdeckt, die an der postero-medialen Biegung der Hook- Region der Cochlea liegt und sattelähnlich geformt ist.¹¹⁶ Die Scala tympani endet am posterioren Rand des runden Fensters, was eine Insertion des Elektrodenträgers in diesem Bereich in die Cochlea gewährleistet.¹¹⁰ Die Membran besteht aus einem infero-anterior verlaufenden vertikalen Anteil und einem supero-posterior horizontalen Anteil.⁸⁶ Die vier Wände der Rundfensternische (posterior, anterior, superior, inferior) sind aus unterschiedlichen Anteilen an membranösem, sowie chondralem Knochen gebildet. Da membranöser Knochen reicher an Blutgefäßen ist und eine größere Wachstumsneigung besitzt als chondraler Knochen, zeigen sich hier breite anatomische Variationen. Betroffen davon sind die vorwiegend membranöse anteriore und superiore Wand der Rundfensternische, welche sowohl verlängert, als auch verkürzt vorliegen können. Daraus ergeben sich unterschiedliche Eindringwinkel für Cochlea-Implantate bei Nutzung des Rundfensterzugangs abhängig von der Länge dieser Wände, sowie deren Form. Häufigste anatomische Veränderung hinsichtlich der Form der Rundfensterregion gilt für die Postis anterior (anteriore Wand der Rundfensternische), welche als kontinuierliche Platte oder trabekelartig geformt vorliegen kann. Nachbarstrukturen der Nische können ebenfalls an einer variablen Gestaltung des Rundfenstereingangs beteiligt sein, wie beispielsweise eine prominente Jugularis-Kuppel, Exostosen oder Trabekel, welche die Membran ganz oder teilweise überdecken, sowie das Promontorium, welches zwischen ovalem

SV OWM

ST

RWM Sacculus

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und rundem Fenster liegt. Es ist möglich, dass eine zweite dünne Pseudomembran adhärent mit der RWM ist, die verknöchert oder bei intraoperativer Entfernung zur Zerreißung der RWM führen kann.^{96, 116}

Im posterioren Abschnitt der Hook-Region liegt die RWM sehr nahe an der OSL mit einem mittleren Abstand von 0,1 mm.⁹⁶ Die Dicke der RWM variiert zwischen 50-100 µm.⁴² Die Größe der Membran wird bei Proctor et al.⁹⁴ mit 2,3 mm * 1,87 mm beschrieben, bei Su et al.¹¹³ mit einem minimalen Durchmesser von 1,08 mm und maximalen Durchmesser von 2,28 mm. Braun et al.²² konnten Dimensionen der RWM von 1,69 mm * 1,37 mm ermitteln.

Cervera-Paz et al.²⁶ bemaßen den mittleren Durchmesser auf 0,92 mm. Coordes et al.³² ermittelten die Größe der RWM zwischen 0,4 – 1,5 mm, mit einer durchschnittlichen Größe von 1,05 mm. Diese Messergebnisse machen die breite anatomische Variabilität in diesem Bereich deutlich und die damit verbundene Wichtigkeit der Kenntnisse über die patientenindividuelle Anatomie.

Die OSL biegt sich im Bereich der basalen Windung der Cochlea fast 90° um ihre eigene Achse.¹¹⁵ Im rechten Innenohr dreht sich die OSL im Uhrzeigersinn, im linken Innenohr gegen den Uhrzeigersinn.⁴⁵ Dabei ist die Drehung nicht gleichmäßig, sondern kann in drei Abschnitte gegliedert werden. Etwa 2,5 mm von der posterioren Wand der Rundfensternische entfernt (Postis posterior) liegt die OSL um 30° gewunden vor, 4,5 mm entfernt hat sie sich um weitere 45° gedreht, bis sie sich schließlich nach 4,5 – 7 mm noch um 15° windet. Dadurch liegt im ersten Abschnitt bis zur 30°-Drehung die OSL in einer nahezu horizontalen Ebene, mit der Scala tympani unter und der Scala vestibuli über ihr. Nach abgeschlossener Drehungen ist die OSL longitudinal ausgerichtet, wodurch die Scala vestibuli lateral, die Scala tympani medial liegt.¹¹⁵ Die OSL ist nahe des Modiolus (midmodiolar) am dicksten, in anderen Bereichen liegen keine signifikanten Unterschiede ihrer Stärke vor.²⁶

An der lateralen Wand der Scala media liegt die Stria vascularis, welche vaskularisiert ist und die Endolymphe produziert. Auf der Basilarmembran sitzt das sogenannte Corti-Organ, welches aus Sinnes- und Stützzellen besteht. Diese Sensorzellen teilen sich in 3.500 innere und 10.000 – 12.000 äußere Haarzellen auf und fungieren als Rezeptoren des Organs.^{59, 87} Überdacht wird das Corti-Organ von der Tektorialmembran, in welche die langen Zilien äußerer Haarzellen hineinragen. Die kürzen Zilien sind über dünne Proteinfäden (tip links) mit den Längeren verbunden. Die äußeren Haarzellen sind in drei Reihen angelegt, die inneren Haarzellen bilden nur eine Reihe, deren Zilien frei in die Endolymphe des Ductus cochlearis ragen. An der basalen Seite der Haarzellen liegen Synpasen mit Endigungen afferenter und

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efferenter Neurone. Diese Neurone wandeln mechanische Energie in elektrochemische Potentiale um und leiten diese über den Nervus cochlearis an das Gehirn weiter.^{78, 98} Das zentrale Nervensystem (ZNS) analysiert die Aktivität des Nerven entlang der aufsteigenden zentralen Hörbahn und vermittelt nach Erreichen des primären auditorischen Kortex Höreindrücke.^{59, 87}

Das Vestibularorgan (Gleichgewichtsorgan), welches aus den Ductus semicirculares, Sacculus und Utriculus besteht, ist ein weiterer wichtiger Bestandteil des Innenohres. Die drei Bogengänge sind mit Endolymphe gefüllt und in den drei räumlichen Ebenen ausgerichtet. Sie enthalten jeweils Erweiterungen (Ampullae), in welchen die Cristae ampullares (Sinnesleisten) enthalten sind. Diese Leisten ragen in das Lumen der Ampullen und sind von der gallertartigen Cupula überdeckt, die mit den Ampullen fixiert ist. Die Cristae ampullares besitzen Stereozilien, welche in die Cupula hineinragen und bei Drehbewegungen des Kopfes abgeschert werden. Im Sacculus und Utriculus liegen Makulaorgane (Macula sacculi, Macula utriculi), die senkrecht bzw. horizontal zur Standebene ausgerichtet und aus Sensorzellen aufgebaut sind.

Sowohl die Zilien der Makulaorgane, als auch der Cristae ampullares sind in unterschiedlichen räumlichen Ebenen ausgerichtet, damit bei jeder Bewegung oder Drehung des Kopfes bestimmte Sinneszellen erregt oder gehemmt werden.¹⁰⁴

1.2.Physiologie

1.2.1. Schallleitung 1.2.1.1. Luftleitung

Die Ohrmuschel fängt den Schall der Umgebung auf und leitet ihn über den Gehörgang auf das Trommelfell, welches durch den Schall in Schwingungen versetzt wird. Das Trommelfell überträgt diese Schwingungen auf den Malleus, der über das Articulatio incudomallearis den Schall auf den Incus weitergibt und dieser schließlich über das Articulatio incudostapedia auf den Stapes. Aufgrund der beweglichen Fixation der Bodenplatte des Stapes mit der OWM wird die dahinter befindliche Perilymphe der Scala vestibuli einwärts bewegt und löst eine Druckwelle innerhalb der Flüssigkeit aus. Diesen Übertragungsweg bezeichnet man als Luftleitung, da der Schall aus der Luft in die flüssigkeitsgefüllte Cochlea gelangt. Aufgrund des geringeren Schallwellenwiderstands (Impedanz) von Luft gegenüber Flüssigkeit hat auf dem Weg bis zur Cochlea eine Impedanzanpassung zu erfolgen. Die wesentlichen Mechanismen der

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Anpassung sind die Relation der Fläche des Trommelfells zur Fläche der OWM im Verhältnis 17:1, sowie die Hebelwirkung der Gehörknöchelchenkette um den Faktor 1,3. Daraus resultiert insgesamt eine Verstärkung des Schalldruckes um den Faktor 22 = (17 * 1,3).^{52, 59, 87}

1.2.1.2. Knochenleitung

Die Schallwellen von Tönen werden auch vom menschlichen Schädelknochen aufgenommen und versetzen diesen in minimale Schwingungen. Durch diese minimalen Bewegungen des Schädels wird der Schall direkt auf die Perilymphe übertragen. Da allerdings sehr viel Energie aufgewandt werden muss, um den Schädelknochen in Schwingungen zu versetzen, ist die Knochenleitung deutlich verlustreicher und spielt für das alltägliche Hören eine untergeordnete Rolle.^{59, 87}

1.2.2. Signaltransduktion

Die eintreffenden Schallwellen versetzen die Perilymphe in Bewegungen und es folgt eine wellenförmige Ausbreitung des Drucks hin zum Helicotrema (Wanderwelle). Diese breitet sich anschließend innerhalb der Perilymphe der Scala tympani weiter aus und endet mit einer Auswärtsbewegung der Membran am runden Fenster. Die Welle verändert sich im Verlauf abhängig von ihrer Lokalisation, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung Helicotrema abnimmt, die Wellenlänge kürzer und die Amplitude größer wird. Ursächlich ist die anatomische Veränderung der BM, die zur Spitze der Cochlea dünner und breiter wird, wodurch ihre Steifigkeit abnimmt. Da die Amplitude von der Basilarmembranschwingung und deren Frequenz, sowie der Breite der Membran abhängig ist, gibt es für jeden Ort in der Cochlea eine Resonanzfrequenz, die auch als Frequenz-Orts-Abbildung bezeichnet wird. An diesem Ort sind die Breite der Membran und die Frequenz optimal aufeinander angepasst, so dass es zu einer maximalen Verstärkung der Schwingungsamplitude kommt. Hohe Frequenzen bilden das Schwingungsmaximum nahe dem ovalen Fenster ab. Je tiefer die Frequenz ist, desto weiter wandert das Schwingungsmaximum in Richtung Helicotrema.⁷⁶ Diese Gegebenheit ist vor allem bei Patienten mit Resthörvermögen im Bereich niedriger Frequenzen von Relevanz und wird unter 1.3.3. näher erläutert.

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Die Wanderwelle löst nicht nur innerhalb der Perilymphe Schwingungen aus, sondern auch in der mit Endolymphe gefüllten Scala media, was zu einer Auf- und Abwärtsbewegung der BM und Tektorialmembran führt. Vorwiegend im Bereich der Resonanzfrequenz kommt es zu Verschiebungen zwischen den beiden Membranen. Durch diese Scherbewegung werden die Zilien der äußeren Haarzellen von der Tektorialmembran wegbewegt. Es öffnen sich Transduktionskanäle in der Membran der Zilien, die zu einem Kaliumeinstrom aus der Endolymphe in die äußeren Haarzellen führen, die daraufhin depolarisiert werden und ein Rezeptorpotential generieren. Bei Abwärtsbewegungen der BM werden diese Kanäle wieder geschlossen und die Haarzellen repolarisieren. Die Depolarisation bewirkt eine Verkürzung der äußeren Haarzellen, die Repolarisation eine Verlängerung. Diese oszillierende Längenänderung wird zusätzlich durch das Protein Prestin unterstützt, welches die äußeren Haarzellen aktiv verlängern oder verkürzen kann. Durch diese physiologische Anlage wird die Wanderwelle verstärkt und zusätzliche Schwingungsenergie erzeugt, was einer 100-fachen Signalverstärkung (40 dB) entspricht.8, 24, 33, 38, 78, 79, 98, 131

Die erhöhte Schwingungsenergie bewirkt eine Abscherung der Zilien der inneren Haarzellen und Dehnung bzw. Entdehnung deren tip links. Ähnlich wie bei den äußeren Haarzellen kommt es nun bei Aufwärtsbewegungen der BM zum Öffnen von Transduktionskanälen, wodurch an den Nervenfasern ein Aktionspotential ausgelöst wird.⁶⁶

Die Intensität des aufgenommenen Schalls ist abhängig von der Häufigkeit der entstehenden Aktionspotentiale. Je lauter der wahrgenommene Ton ist, desto ungenauer wird der Ort der maximalen Schwingungsamplitude und zusätzliche Nervenfasern werden mitaktiviert (Rekrutierung). Dies hat zur Folge, dass Frequenzunterschiede lauter Töne nicht mehr exakt vom ZNS erkannt werden können.^{7, 72}

1.3.Das Cochlea-Implantat

Cochlea-Implantate (CI) übernehmen die Aufgabe von zerstörten oder fehlerhaften Haarzellen, für die eine mechano-elektrische Transduktion des akustischen Signals nicht mehr möglich ist und stimulieren durch elektrische Impulse den Hörnerv. Es ist naheliegend, dass Cochlea- Implantate keinen gleichwertigen Höreindruck vermitteln können wie tausende funktionstüchtige Haarzellen. Nichtsdestotrotz hat sich die Implantatchirurgie als Standardbehandlungsmethode von Taubheit bzw. Schwerhörigkeit etabliert und bietet die beste

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Möglichkeit, diese Patienten aktiv an ihrem Umfeld und am Leben teilhaben zu lassen.^{1, 17} Wichtigste Voraussetzung für eine Operation ist die elektrische Stimulierbarkeit des Hörnerven, die mit Hilfe objektivierter Hörprüfungsverfahren (bspw. ERA, evoked response audiometry) im Vorfeld untersucht wird. Zahlreiche weitere präoperative subjektive (Audiometrie) und objektive diagnostische Verfahren (u.a. Impedanzaudiometrie, Vestibularisprüfung, otoakustische Emissionen, hochauflösende Computertomographie) stehen vor einer Implantation zur Verfügung und helfen, die Entscheidung hinsichtlich einer Versorgung mittels Cochlea-Implantat bzw. konventionellem Hörgerät zu treffen.^{17, 81}

Im Folgenden soll auf die Funktion und Versorgung mit Cochlea-Implantaten näher eingegangen. Damit wird erläutert, welche fortschrittlichen Entwicklungen und Verbesserungen allein innerhalb der letzten Jahre in der Innenohrchirurgie erreicht werden konnten.

1.3.1. Geschichte der Cochlea-Implantat Versorgung

Bis in das 18. Jahrhundert geht die Idee zurück, Taubheit durch ein elektrisches Gehör zu heilen.

Die ersten Versuche gehen auf Alessandro Volta zurück, der im Jahr 1790 Metallstäbchen in beide Ohren einführte und diese an einen elektrischen Schaltkreis anschloss. Dieser Schaltkreis konnte mit bis zu 50 Volt seine Umgebung stimulieren und Alessandro Volta beschrieb die empfundenen Eindrücke als Schlag auf den Kopf, gefolgt von einem Ton wie beim Kochen einer viskösen Flüssigkeit.^{21, 60} Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Idee erneut aufgegriffen, taubgeborenen oder ertaubten Patienten ihr Hörvermögen durch ein technisches Innenohr zurückzugeben. Grundlage dafür waren die Entdeckungen von Ernest Wever und Charles Bray, die 1930 Versuche an Katzen durchführten und erkannten, dass durch akustische Reizungen elektrische Potentiale in der Cochlea generiert wurden.^{60, 126} In Frankreich wurde daraufhin um 1950 die Idee eines Drahtes zur elektrischen Stimulation der Cochlea von André Djourno und Charles Eyries verfolgt und ab 1962 von Fritz Zöllner und Dieter Keidel in Deutschland intensiviert, die heute als Entwickler der sogenannten Cochlea-Implantat-Systeme (CI-Systeme) gelten.36, 60, 99, 133 Sie führten erstmals um 1963 Operationen an Gehörlosen durch, die allerdings noch keine Resultate lieferten. Etwa zeitgleich begannen zahlreiche weitere Arbeitsgruppen ein technisches Innenohr zu entwickeln.35, 60, 106

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Die ersten erfolgreichen Cochlea-Implantationen nach langjährigen Tierversuchen, waren die von Prof. Graeme Clark (Universität Melbourne/ Australien) 1978 an Menschen ausgeführten Operationen.17, 27, 28, 60 Daraufhin konnten bis zum Jahre 1981 weltweit etwa 200 Patienten mit Cochlea-Implantaten versorgt werden, vorwiegend in den Vereinigten Staaten, Australien und Europa. Bis zum Jahr 1984 stieg die Anzahl auf 750 an. Zahlreiche Wissenschaftler beschäftigten sich mit der Thematik, welche Lokalisation des Implantats die bessere sei, um cochleäre Schäden zu vermeiden, wobei letztlich mehrere Konzepte verfolgt wurden. In Europa setzte sich zunächst überwiegend die extracochleäre Lage der Elektroden im Bereich des Promontoriums bzw. des runden Fensters durch, wohingegen in den Vereinigten Staaten und Australien die Elektrodenträger intracochleär platziert wurden, sodass sie sich innerhalb der Scala tympani bzw. des Modiolus befanden, um möglichst viele Fasern des Hörnerven zu stimulieren.12, 25, 41, 99 Die Längen der eingeführten Elektrodenträger variierten zwischen 3 – 25 mm. Ebenfalls gab es Unterschiede hinsichtlich der Anzahl der Kanäle (multichannel- bzw.

single-channel-Systeme) und der elektrischen Stimulationsform (monopolar bzw. bipolar).^{15, 16} Längst gilt heutzutage die Cochlea-Implantation als Standardverfahren, um angeborene oder erworbene Taubheit bei Patienten zu behandeln. Weltweit sind mittlerweile ca. 300.000 Patienten mit einem CI versorgt, davon 30.000 in Deutschland [Quelle: Deutsche Cochlear Implant Gesellschaft e.V., Stand 31.12.2011].

1.3.2. Cochlea-Implantat Aufbau

Die drei führenden CI-Hersteller sind die Firmen Cochlear™ Ltd. (Australien), Med-EL (Österreich) und Advanced Bionics® (USA). Der grundsätzliche Aufbau ist bei allen Herstellern gleich. Unterschiede gibt es hinsichtlich der Bauform, der verwendeten Materialien, der Anzahl der Kanäle, sowie der Ausführung der Elektrodenpole (in Länge, Anzahl und Form).

Die CI-Systeme sind aufgebaut aus einem intrakorporalen Cochlea-Implantat, mit dem in die Cochlea einzuführendem Elektrodenträger und den extrakorporalen Komponenten, bestehend aus einem Sprachprozessor (HdO bzw. „Hinter-dem-Ohr-Prozessor“ oder Taschenprozessor) inklusive einer Verarbeitungssoftware und einer Senderspule. Das Cochlea-Implantat wird in ein ausgefrästes Knochenbett retroaurikulär in der Schädelkalotte unter der Kopfhaut fixiert und hat etwa die Größe zweier nebeneinander liegender 1-Euromünzen. In der Regel ist dieses Implantat mit einem Magneten ausgestattet, sodass die zugehörige Spule über dem Implantat auf der Kopfhaut haftet. Bei den neueren CI-Modellen kann dieser Magnet kurzzeitig entfernt

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werden, um radiologische MRT-Untersuchungen durchführen zu können, ohne dabei aufgrund der elektromagnetischen Felder das Implantat zu zerstören.⁸¹

Die Spule ist über ein Kabel mit dem Prozessor verbunden und stellt die Verbindung zwischen Prozessor und Implantat dar. Bei dem Prozessor handelt es sich zumeist um einen HdO- Prozessor, der dem Namen entsprechend mit einem Bügel hinter der Ohrmuschel getragen wird.

Dieser enthält auch die Batterie, die das Implantat mit Spannung versorgt. Im Prozessor ist eine Software integriert, welche aus akustischen Signalen der Umgebung, die es über ein Mikrofon empfängt, eine Verarbeitungsstrategie erstellt, um das gewonnene Signal in einen elektrischen Stimulus für den Hörnerv umzuwandeln. Die Software erfasst dabei das Eingangssignal anhand unterschiedlicher Parameter (Intensität, Frequenz, Formanten, spektrale Maxima usw.) und errechnet Stimulationsparameter in Form von Stromimpulsen, die an das Cochlea-Implantat weitergegeben werden. Dabei existieren zahlreiche Kodierungsstrategien, die entsprechend der Bedürfnisse an jeden Patienten individuell angepasst werden müssen. Die elektrischen Impulse werden über das Kabel an die Spule weitergeleitet und auf das Implantat übertragen. Von dort erreichen sie die einzelnen Elektroden innerhalb der Cochlea, um den Hörnerven zu stimulieren (siehe Abbildung 4). Damit elektrische Stimuli den Hörnerven erregen können, ist ein elektrisches Feld mit einer Spannungsdifferenz nötig. Diese Spannungsdifferenz entsteht zwischen einer aktiven Elektrode und einer Referenzelektrode (Ball-Elektrode) des Implantats.

Man unterscheidet zwischen der monopolaren Stimulationsform, bei welcher nur die aktive Elektrode innerhalb der Cochlea liegt, die Referenzelektrode extracochleär, sowie der bipolaren Stimulationsform, bei welcher sich beide Elektrodenformen innerhalb der Cochlea befinden.

Zwischen den Elektroden entsteht das elektrische Feld, innerhalb dessen Nervenfasern stimuliert werden. Durch den geringeren Abstand der Elektroden bei der bipolaren Stimulationsform wird eine präzisere Frequenz-Orts-Abbildung möglich, wobei allerdings für den Menschen die Tonhöhenunterschiede akustisch kaum differenzierbar sind. Zudem benötigt das bipolare Implantat deutlich mehr Strom als das Monopolare bis gleichlaute Reize vermittelt werden können.¹ Monopolare Implantate besitzen den Vorteil, dass sie aufgrund der extracochleär angebrachten Referenzelektrode die Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich der Stimulationsmöglichkeiten des Implantats erhöhen.⁸¹

Die Elektroden werden in der ST appliziert und sollten perimodiolar zum Erliegen kommen, um eine geringe Reizschwelle für die Erregung des Hörnervens zu erreichen. Dadurch verringert sich der Widerstand zwischen den Elektrodenpolen und es reichen niedrigere Stimuli zur Erregungsausbreitung innerhalb der Cochlea aus, wodurch die Rekrutierung benachbarter Nervenfasern minimiert und eine bessere Frequenz- und Elektrodenseparation, Hörergebnisse,

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sowie längere Batterielaufzeit resultieren.6, 10, 29, 102 Neuere Varianten der Cochlea-Implantate besitzen flexible oder gebogene Elektrodenträger, die sich optimal an die gewundenen Gänge der Cochlea anpassen können und so das Risiko für Verletzungen benachbarter Strukturen verringern sollen.^{2, 68}

Abbildung 4: Cochlea-Implantat

HdO-Sprachprozessor

Senderspule

Nervus

vestibulocochlearis

Cochlea

Elektrodenträger

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1.3.3. Indikationen zur Cochlea-Implantat-Versorgung

Im Laufe der Jahrzehnte, seitdem Implantationen praktiziert wurden, haben sich die Indikationskriterien zur Versorgung mittels eines Implantats deutlich ausgeweitet. Während um 1980 fast ausschließlich postlingual ertaubte Erwachsene einseitig operativ versorgt wurden, entwickelte sich der Trend innerhalb der nächsten Jahre zur bilateralen Versorgung, sowie zur Operation von Kindern (Personen unter 18 Jahren). Nichtsdestotrotz gab es immer wieder heftige Kontroversen, wann eine Implantation gerechtfertigt sei.^{16, 19} Heutzutage ist die Cochlea-Implantat-Chirurgie als Standardverfahren zur Behandlung von angeborener und erworbener Taubheit bei Erwachsenen und Kindern etabliert und das Patientenkollektiv wächst stetig an.^{4, 17} So gehören mittlerweile Personen mit erhaltenem Resthörvermögen ebenfalls zum Patientenkollektiv eines jeden Ohrchirurgen.^{23, 88} Vor allem bei Resthörvermögen im Tieftonbereich mit komplettem Hörverlust der Hochtonfrequenzen kann eine Versorgung mittels Cochlea-Implantat angestrebt werden, da tiefe Frequenzen erst in Richtung Schneckenspitze abgebildet werden (siehe 1.2.2.).^{88, 120} Durch die steigende Rate an diesen Patienten unter den CI-Rezipienten entwickelte sich die Idee einer kombinierten elektrischen und akustischen Stimulation (EAS) des Hörnerven, die 1999 erstmals publiziert wurde.¹²¹ Zuvor war ein Resthörerhalt operativ selten möglich, sodass die irreversible Zerstörung funktionstüchtiger Nervenzellen bei Cochlea-Implantationen als unvermeidbar angesehen wurde.20, 55, 100, 108 Mit Beginn des 21. Jahrhunderts konnten erstmals verbesserte Ergebnisse hinsichtlich des Resthörerhalts intraoperativ erzielt werden, die aber noch keine konstanten Erfolge lieferten.47, 48, 61 Erst nach Entwicklung neuer Elektrodendesigns und einer „soft- surgery“-Operationstechnik war es umsetzbar, Resthörvermögen zu erhalten bzw. nur eine geringe Einschränkung einiger Tieftonfrequenzen in Kauf nehmen zu müssen.16, 43, 45, 46, 93, 120 Das Resultat der neuen Elektrodendesigns ist beispielsweise die Hybrid-L-Elektrode von Cochlear™ Ltd. (Australien), welche eine totale Länge von 16 mm hat, 0,6 mm dünn ist und bis etwa zu 270° der Cochleawindung reicht.⁶⁸ Dies minimiert intraoperative Schäden, da kürzere Elektroden die Wahrscheinlichkeit für eine Basilarmembranperforation senken, sowie erst ab einer Insertionstiefe von 400° der Cochlea das Risiko für eine Schädigung der Haarzellen der niedrigen Frequenzen ansteigt.^{3, 61, 68}

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1.4.Operative Zugangswege

Im Laufe der Jahrzehnte wurden verschiedene Praktiken zur Implantation angewandt. So wurde einst eine präaurikuläre Schnittführung eingesetzt, um Nähte im Bereich des Implantats zu vermeiden. Dieses Vorgehen wurde aufgrund der sichtbaren Narbenbildung, sowie der Nähe zur Arteria temporalis superficialis und dem damit verbundenen potentiellen Verletzungsrisiko der Arterie weitestgehend verlassen. Die retroaurikuläre Schnittführung ist heutzutage üblich.

Ursprünglich wurde diese sehr ausgedehnt durchgeführt, mit einer weit in Richtung Hinterkopf reichenden Schnittführung. Heute hat sich eine Hautinzision mit kurzer nach kranial führender Schnittentlastung etabliert und ist aufgrund der immer kleiner werdenden Cochlea-Implantate ausreichend.^{39, 40}

Der Ohrchirurg beginnt mit einem J-förmigen retroaurikulären Hautschnitt. Durch Erzeugung einer subperiostalen retroaurikulären Tasche wird das Einsetzen des Implantats vereinfacht und eine große Schnittführung entlang des Schläfenbeins überflüssig. Für die Erzeugung der Tasche wird das parietale squamöse Periost vom Knochen abgelöst und ein Knochenbett für den CI- Empfänger mithilfe von Bohrern hinter dem Sinus-Durawinkel ausgefräst. Anschließend erfolgt die Eröffnung des Mastoids (Antrotomie). Zur Orientierung werden der horizontale Bogengang, der kurze Ambossfortsatz und der tympanale Anteil des Nervus facialis dargestellt.^{39, 40} Es schließt sich die posteriore Tympanotomie an, bei welcher ein direkter Zugang zum Mittelohr durch den Recessus facialis gebohrt wird. Dabei wird zunächst die Chorda tympani identifiziert und anschließend der Recessus facialis zwischen Fazialiskanal und hinterer Gehörgangswand eröffnet.^{57, 77} Dadurch erlangt der Operateur eine Darstellung von ovaler und runder Fensternische, des Stapes, sowie des Promontoriums. Die Übersicht ist dabei abhängig von der Weite des Recessus facialis, ebenfalls die Zugangsmöglichkeit zur Cochlea, sowie das Verletzungsrisiko des Nervus facialis.¹⁸ Messungen in diesem Bereich konnten zeigen, dass eine Breite zwischen 1,0 – 3,5 mm für den Recessus facialis gegeben ist.⁸⁵ Durch vorsichtiges Bohren wird die Cochlea im Bereich der Scala tympani anterior des runden Fensters eröffnet (anteriore Cochleostomie). Der Elektrodenträger sollte widerstandsfrei durch die Basalwindung der Cochlea gleiten, sodass umliegende Strukturen wie die Basilarmembran, Scala vestibuli oder der Modiolus nicht verletzt werden. Dieses Vorgehen beschreibt die Mastoidektomie mit posteriorer Tympanotomie (MPTA) und Cochleostomie. Die Cochleostomie wird mit Bindegewebe abgedichtet und die Elektrodenspule in dem angefertigten Knochenbett verankert. Bereits intraoperativ erfolgt eine Testung des verwendeten Cochlea-Implantats auf dessen Funktionstüchtigkeit. Die Wunde wird mit einer

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Hautnaht verschlossen und zur Vermeidung eines Hämatoms bzw. Seroms mit einem Wickelverband bedeckt. 39, 40, 88 Eine retrospektive Studie aus dem Jahr 2010 aus Hannover zeigt, dass die reine Operationszeit bei unilateralem Eingriff im Mittel 171 Minuten beträgt, bei bilateraler Versorgung 295 Minuten.⁷⁵ 4 – 6 Wochen postoperativ kann das Implantat aktiviert und individuell an den Patienten angepasst werden.³⁹

Die Cochleostomie kann durch einen Rundfensterzugang ersetzt werden. Die Vorteile, die sich daraus ergeben, sind die Vermeidung von Traumen der Cochlea durch Vibrationen des Bohrers und anfallenden Bohrstaub, sowie die bessere Stimulation der Nervenzellen im Anfangsbereich der Cochlea durch dort platzierte Elektroden.^{88, 95} Die Scala tympani wird dabei an der RWM durch ein Häkchen eröffnet, was ein atraumatisches und sicheres Einführen der Elektroden in die Scala tympani ermöglicht. Gegebenenfalls müssen individuell vorher knöcherne Überhänge des Promontoriums entfernt werden, die den Zugang zur Rundfensternische überdecken.⁹⁶ Roland et al.¹⁰¹ konnten in einer Studie an 30 Felsenbeinen zeigen, dass sich durch das Entfernen der knöchernen Überhänge, die Sicht auf die RWM um den Faktor 1,5 – 3 erhöht und empfahlen generell nicht nur zur Sichtverbesserung die Entfernung, sondern auch zur Optimierung des Eindringwinkels der CI-Elektroden in die Scala tympani. Da interindividuell große Variabilitäten hinsichtlich der Größe der RWM vorliegen (siehe 1.1.4.), kann der Rundfensterzugang durch eine kleine Cochleostomie erweitert werden. Dies bietet sich vor allem bei Patienten mit geringem Durchmesser der RWM an, bei denen ein direktes Einführen der Elektroden durch die Membran nicht möglich ist, sodass ein kombiniertes Vorgehen angewandt werden muss, um einen ausreichend großen Zugang für die Elektroden zu schaffen.³²

1999 entwickelten Kronenberg et al.⁶⁵ den suprameatalen Zugang (SMA) zur Cochlea- Implantation, um die MPTA zu umgehen. Dabei wird zunächst ein J-förmiger retroaurikulärer Hautschnitt durchgeführt und anschließend ein tympano-meataler Lappen abgehoben, um das Mittelohr darzustellen. Die Chorda tympani wird aufgesucht. Postero-superior der Chorda wird eine circa 1 mm lange Rille in der Wand des Mittelohres gebohrt. Nach Anfertigung eines suprameatalen Bohrkanals wird eine Cochleostomie antero-inferior des ovalen Fensters geschaffen. Anschließend kann der Elektrodenträger medial der Chorda tympani und lateral des Incus in das Cochleostomieloch eingeführt werden. Der Zugang liefert eine breite Sicht auf das Promontorium, minimiert die Operationsdauer und die Traumen der Cochlea durch Vibrationen, aufgrund der ausgelassenen Mastoidektomie.^{64, 65} Außerdem gefährdet er Nervus facialis und Chorda tympani nicht, da der Bohrkanal nicht im Recessus facialis verläuft.^{83, 129} Durch den veränderten Blick- und Eindringwinkel unter Operationsbedingungen besteht eine

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höhere Gefahr der Verletzung der inferioren Wand der Scala tympani bei Elektrodeninsertion.^64,

65, 115 In zahlreichen Studien wurden die Komplikationsraten und Hörergebnisse des SMA mit der Standardtechnik (MPTA) verglichen und lieferten ähnliche Resultate. 5, 89, 90, 129, 132

Aufgrund der veränderten Operationsmethodik treten bei der MPTA-Technik andere Komplikationen auf (siehe Kapitel 1.4.3.).⁸³

1.4.1. Insertionslokalisationen im Bereich der Cochlea

Die optimale Insertionslokalisation der Elektroden in die Scala tympani wird von den einzelnen Arbeitsgruppen unterschiedlich definiert. Li et al.⁷⁰ erzielten die besten Resultate im Bereich des antero-inferioren Rands der RWM, Lenarz et al.⁶⁹ mit einer Cochleostomie unterhalb der RWM und Adunka et al.³ mit einem direkten Zugang durch die RWM nach Entfernung des knöchernen Überhangs im Bereich des Promontoriums. Shapira et al.¹⁰⁵ verglichen 2011 den SMA + Cochleostomie mit der MPTA + Rundfensterinsertion, wobei sich unter Verwendung des SMA weniger traumatische Resultate an den Felsenbeinpräparaten zeigten.

Insgesamt weisen Studienergebnisse an Patienten mit Resthörvermögen auf einen besseren Outcome hin, wenn ein Rundfensterzugang bzw. erweiterter Rundfensterzugang durchgeführt wurde. Dieser ist aufgrund der vermeidbaren intraoperativen Traumata durch Vibrationen, Bohrstaub, chirurgische Instrumente und die sichere Platzierung der Elektroden in der Scala tympani gegenüber der Standardcochleostomie zu erklären. Demgegenüber steht eine Auswertung von 16 Studien aus dem Jahre 2013 von Havenith et al.⁵³, die keine wesentlichen Unterschiede hinsichtlich besserer Hörergebnisse zwischen Rundfensterzugang und Standardcochleostomie ermitteln konnte. Lediglich für 0 – 40 % der Patienten mit Standardcochleostomie konnte ein vollständiger Erhalt ihres Resthörvermögens verzeichnet werden, in der Gruppe der Patienten mit Rundfensterzugang variierten die Ergebnisse zwischen 13 – 59 %. Postelmans et al.⁹¹ erzielten 2011 bei 24,7 % einen vollständigen, bei 70,6 % einen teilweisen Resthörerhalt für den SMA mit einer Cochleostomie antero-inferior des runden Fensters. Balkany et al.¹¹ bemaßen den vollständigen Erhalt auf 32,1 % bzw. den teilweisen Erhalt auf 53,6 % für eine Cochleostomie antero-inferior des runden Fensters nach MPTA und Gstoettner et al.⁴⁶ erreichten bei 44,4 % den vollständigen bzw. 55,6 % den partiellen Hörerhalt bei Nutzung des direkten Rundfensterzugangs nach Mastoidektomie. Bemühungen, diese Ergebnisse zu optimieren, werden stetig verfolgt, da Patienten mit kombinierter EAS deutlich bessere Hörresultate in lauter Umgebung, beim Musikhören und eine natürlichere Qualität von

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Stimme und Geräuschen erzielen als andere Patienten.62, 68, 91, 117 Dementsprechend ist der Resthörerhalt Ziel einer jeden Operation an diesen Patienten.

Diese Resultate zeigen, dass die Entscheidung zur richtigen Methode individuell für jeden Patienten getroffen werden muss. Dafür ist eine präzise präoperative Bildgebung vonnöten, um das chirurgische Vorgehen anhand anatomischer Gegebenheiten optimal planen zu können.

1.4.2. Optimierte präoperative Planung

Eine hochauflösende MR-Untersuchung eignet sich zur Betrachtung cochleärer Strukturen, um Hinweise auf anatomische Gegebenheiten und daraus resultierende Operationsmöglichkeiten zu gewinnen. Sie liefert eine Darstellung von Weichgewebsstrukturen und Hinweise auf kongenitale Malformationen, sowie Fibrose innerhalb der Scala tympani.^{45, 111} In zahlreichen Studien wurde das MRT als geeignete Bildgebungsmethode der Cochlea dahingehend untersucht.45, 50, 54, 82

Zeitler et al.¹³⁰ verglichen 2011 das Standard-CT mit der neuen flat-panel-based volume-CT- (fpVCT) Technologie zur prae- und postoperativen Evaluierung anatomischer Ohrstrukturen.

Sie konnten signifikant bessere Ergebnisse hinsichtlich der Reduzierung von Bewegungsartefakten, Darstellung der knöchernen Strukturen des Felsenbeins und der Cochlea, postoperativen Elektrodenpositionen und Evaluierung intracochleärer Traumata für das fpVCT gegenüber dem Standard-CT ermitteln. Generell eignet sich eine CT-Bildgebung für eine Darstellung knöcherner Strukturen und liefert Aussagen über die Anatomie der Mastoidzellen, sowie des äußeren und inneren Gehörgangs.

Nichtsdestotrotz war in keiner der zahlreichen Studien auf Basis dieser zur Verfügung stehenden radiologischen Bildgebungsmethoden eine Darstellung der feinen Weichgewebsstrukturen der Cochlea im Menschen, wie Reissner-Membran, BM und RWM möglich. Die Darstellung dieser cochleären Strukturen würde die Planung einer optimalen Bohrtrajektorie zur Eröffnung der Cochlea deutlich erleichtern und individuelle Aussagen über die Anatomie des Patienten liefern.22, 107, 118, 119, 127 Eine präoperative Planung wäre mit Hilfe von computergestützten Assistenzsystemen, wie sie bereits in der computer-assistierten Chirurgie (CAS) bei Eingriffen an der vorderen Schädelbasis eingesetzt wird, möglich.^{85, 102} Basierend auf der individuellen Anatomie könnte so die Entscheidung zum chirurgischen Vorgehen, ob Rundfensterzugang, erweiterter Rundfensterzugang oder Standardcochleostomie

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leicht getroffen werden und dahingehend die optimale Bohrausrichtung geplant und durchgeführt werden. Dass aktuell keine radiologische Methode zur Verfügung steht, diese Strukturen sichtbar zu machen, hat seine Ursache in dem außenliegenden, strahlungsabsorbierenden Knochen, sowie dem gemeinsamen Vorkommen von Knochen und Weichgewebsstrukturen, die unterschiedliche Anforderungen an eine hochauflösende Bildgebung haben.³⁴ In vitro ist bereits eine Darstellung der dünnen Membranen auf Basis von histologischen Schnitten bzw. fpVCT- oder µCT-Daten (Mikro-CT) nach sorgfältigem Aufbereiten und Zuschneiden möglich und erlaubt die Erstellung eines dreidimensionalen Cochleamodells mit Hilfe von Computerprogrammen. Zahlreiche Arbeitsgruppen haben anhand derartiger Modelle Messungen und anatomische Forschungen durchgeführt.22, 71, 122, 123

Dadurch kann es ermöglicht werden, vorhandene Bildgebungsmethoden so zu überarbeiten, dass auch in vivo eine Darstellung dieser Strukturen in Zukunft möglich wird bzw. detaillierte Informationen über die Anatomie der basalen Windung zu erhalten, um operative Vorgehensweisen dementsprechend zu modifizieren.

1.4.3. Intra- und postoperative Komplikationen

Die Risiken einer Cochlea-Implantat-Versorgung hängen von zahlreichen Faktoren ab. So zeigten bereits Cohen und Hoffman30, 31, 56 in zahlreichen Publikationen, dass die Komplikationsrate mit der individuellen Anatomie und den Vorerkrankungen des Patienten, der chirurgischen Erfahrung und Fähigkeiten des Operateurs, sowie dessen Operationshand korrelieren.

Komplikationen während der Operation erklären sich durch die interindividuelle anatomische Variabilität, welche im Kapitel 1.1.4. beschrieben wurde. Verletzungen der OSL, des Corti- Organs, des Ductus reuniens, des Modiolus, des NF und der Chorda tympani, Rupturen der BM oder Reissner-Membran und die Elektrodenlage innerhalb der Scala vestibuli oder Scala media sind einige mögliche Sofortfolgen. Diese wiederum können zu gravierenden nachteiligen Folgeerscheinungen führen, wie Taubheit, Degeneration von Spiralganglienzellen, Fibrose, intracochleärer Neoossifikation, Fazialislähmung, Geschmacksveränderungen oder Schwindel.

Zu den postoperativ auftretenden Schäden zählen die Mastoiditis, Gerätefehler mit daraus resultierender Notwendigkeit einer operativen Repositionierung, Otitis externa und andere Infektionen, Wundabszesse, Empfängerdislokation, Okzipitalneuralgie und Tinnitus.45, 70, 112

Diese intra- und postoperativen Schäden können in schwerwiegende und leichte

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Komplikationen unterteilt werden (Tabelle 1). In einer retrospektiven Studie aus dem Jahr 2006 wurden diese Komplikationsraten bei 176 Patienten nach minimal-invasiver CI-Chirurgie untersucht. Die Rate der schwerwiegenden Komplikationen betrug 4,0 %, die der leichten Komplikationen 8,5 %.¹¹²

Im Vergleich des SMA + Cochleostomie mit MPTA zeigten sich bei beiden Techniken akute Mittelohrinfektionen mit und ohne Mastoiditis, Wundheilungsstörungen, sowie Gleichgewichtsstörungen. Komplikationen, die ausschließlich in der Gruppe der MPTA auftraten waren die Fazialisparese, Elektrodendislokation und Verletzungen der Chorda tympani.⁸³ Unter Verwendung des SMA traten in einer Studie von Postelmans et al.⁸⁹ 3,7 % schwerwiegende und 23,4 % leichte Komplikationen auf. Für die Gruppe der Patienten mit MPTA 6,5 % schwere und 22,4 % leichte Komplikationen. Es konnten somit keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Komplikationsrate aufgezeigt werden.

Tabelle 1: Schwere und leichte Komplikationen bei CI-Versorgung

Schwere Komplikationen Leichte Komplikationen Mastoiditis

Fazialisparese

Gerätefehler und erneute OP

Otitis externa Infektionen Wundabszess

Empfängerdislokation Tinnitus, Schwindel

Geschmacksveränderungen Okzipitalneuralgie

1.4.4. Entwicklungen der minimal-invasiven Chirurgie

Das wachsende Patientenkollektiv mit Resthörvermögen, sowie auch die Cochlea-Versorgung an Kindern machen eine Entwicklung der Implantatchirurgie hin zu einem weniger traumatischen und kürzeren Eingriff wünschenswert. Aus diesem Grund gehen die

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Bemühungen in Richtung einer minimal-invasiven Methodik, bei der beispielsweise durch Generierung einer automatischen Trajektorie, basierend auf einer präoperativen Bildgebung, ein sicherer Bohrkanal zur Cochlea geplant werden kann. Die Grundlage ist, dass erstellte Bilddaten von Patienten segmentiert und in ein dreidimensionales Modell überführt werden, sodass in geeigneten Computerprogrammen eine Operations- und Trajektorienplanung stattfinden kann. Eine so generierte Trajektorie kann die Bohrung in Richtung der Zielstruktur erleichtern und den Bohrkanal an wichtigen organischen Strukturen wie dem Nervus facialis, der Chorda tympani und der Gehörknöchelchenkette vorbeileiten.⁸⁵ Ein entlang der Trajektorie möglicher minimal-invasiver Zugang, ist der DCA (direct cochlea access), der eine einzelne direkte Stichkanalbohrung von der Schädelkalotte bis zur Cochlea vorsieht. Zahlreiche Arbeitsgruppen versuchen dieses Vorgehen in der Klinik zu realisieren und dabei den optimalen Bohrweg zu definieren.13, 67, 73, 124, 125

Vorgehensweisen der CAS können mithilfe von dreidimensionalen Innenohrmodellen untersucht werden. Die Modelle können sich sowohl auf durch Bildgebung gewonnene Daten von Patienten beziehen, sowie auf histologisch aufgearbeitete Felsenbeinpräparate. Dies bietet sich vor allem für chirurgisch noch nicht etablierte Vorgehensweisen an, um durch neue Methoden nicht Mittel- bzw. Innenohr des Patienten zu gefährden bzw. um noch präzisere Informationen über das menschliche Gehör und dessen Anatomie zu erhalten.

Für die Forschung wirft die CAS die Frage auf, mit welcher Präzision und welcher Genauigkeit diese Systeme arbeiten können und inwiefern dadurch Strukturen des Ohres intraoperativ gefährdet sind. Eine Kadaverstudie zu dieser Thematik führten 2004 Schipper et al.¹⁰² durch, bei welcher Messungen an einer Standardcomputertomographie des Innenohres mit Schichtdicken von 1 mm durchgeführt wurden. Nach Bildgebung und nachfolgender navigiert kontrollierter MPTA resultierte ein Kreisdurchmesser als Zielgebiet von 1,6 * 1,6 mm, da dies den Abweichungen vom Zielpunkt (antero-inferior des runden Fensters) entsprach. Die Genauigkeitsanforderungen gaben Schipper et al.¹⁰³ mit 0,5 mm an. Da sich die Messungen nur auf ein einziges Cochlea-Modell beziehen, wird in dieser Studie die breite anatomische Variabilität, die schon in vorherigen Studien eingehend untersucht wurde (siehe 1.1.4.), nicht berücksichtigt, wodurch mit Abweichungen vom Messergebnis bei erneuter Durchführung zu rechnen ist.

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1.5.Motivation

Die vorliegende Arbeit hat zur Zielsetzung, die Anatomie der Weichgewebsstrukturen der basalen Windung der Cochlea, wie beispielsweise der BM und weiterer relevanter Strukturen (Chorda tympani, NF, RWM, ST), näher zu untersuchen, um Aussagen über die erforderliche Genauigkeit bei chirurgischen Interventionen im Bereich der RWM bzw. des erweiterten Rundfensterzugangs zu erhalten. Dies bezieht sich vor allem auf einen direkten, minimal- invasiven Zugang, der eine einzelne Stichkanalbohrung von der Oberfläche des Schädels durch den Recessus facialis bis hin zur Cochlea vorsieht. Der von Schipper et al.¹⁰³ in der Literatur angegebene Wert von 0,5 mm stützt sich auf CT-Daten aus dem Jahr 2004. Unter Verwendung eines moderneren und höher auflösenden Bildgebungsverfahrens soll dieser Grenzwert erneut untersucht werden. Dazu wurden im Vorfeld der Studie hochdetaillierte histologische Bilddatensätze von Humanpräparaten erstellt, auf deren Basis eine Segmentierung und Erstellung von dreidimensionalen Modellen der Cochlea möglich war.⁹⁷ Darauf stützend sollen die notwendigen Genauigkeitsanforderungen an mechatronische Assistenzsysteme bei der CI- Versorgung präzisiert und gleichzeitig individuelle anatomische Abweichungen berücksichtigt werden.

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2. Material und Methoden

Die experimentelle Studie wurde mit sechs linken und vier rechten Felsenbeinpräparaten durchgeführt. Diese stammen von anonymisierten Körperspendern, zu denen keinerlei Daten hinsichtlich Alter, Geschlecht, Ursprung oder HNO-Krankheitsgeschichte vorliegen. Keiner der Spender erhielt zu Lebzeiten ein Cochlea-Implantat und es konnten während der Bearbeitung auch keine Anomalien der Cochlea-Anatomie festgestellt werden.

2.1.Bereitgestelltes Proben- und Bildmaterial

Die bereitgestellten Felsenbeinpräparate wurden nach dem in Rau et al.⁹⁷ und Hügl et al.⁵⁸ beschriebenen Verfahren im Vorfeld dieses Forschungsprojektes erstellt. Die dadurch gewonnenen Bilddatensätze stellten die Ausgangsbasis für weitere Untersuchungen in dieser Arbeit dar. Die Vorbereitung der Präparate, sowie die Bilddatengewinnung sollen hier kurz zum Verständnis angeführt werden, da deren Kenntnis für die Bewertung der erzielten Ergebnisse relevant ist.

2.1.1. Einbettung

Die Felsenbeine der Spender wurden mit Hilfe einer Knochensäge (Labotom-2, Struers A/S, Ballerup, Denmark) von umliegendem Gewebe gereinigt, sodass quaderförmige Präparate entstanden. Diese enthielten das Mittelohr und Innenohr. Ein Abschnitt der Bogengänge wurde eröffnet, um das Innenohr in späteren Bearbeitungsschritten mit Epoxidharz zu befüllen. Die Präparate wurden für vier Stunden in einer phosphatgepufferten 4%-Glutaraldehyd-Lösung eingelegt. Anschließend folgte für zwei weitere Stunden eine Spülung in einem Phosphatpuffer, dem sich ein fünfstufiger Ethanol-Trocknungsprozess mit ansteigendem Alkoholgehalt anschloss, sowie ein Einlegen der Felsenbeinpräparate in eine Alkohol-Aceton-Mischung. Die Einbettung schloss mit einer sechzehnstündigen Trocknung in einer Trockenkabine bei 60° C ab. Die vorbereiteten Felsenbeinpräparate wurden anschließend in eine zylindrische Silikonform gelegt und mit Epoxidharz befüllt. Das Harz enthielt Titaniumdioxid als Färbemittel, sodass in zukünftigen zugeschnittenen Schichten unterliegende Strukturen nicht

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durchscheinen konnten. Sofort nach Zufügen des Harzes mussten die Präparate für fünf Minuten in einer Vakuumkabine platziert werden, um Gasblasen vor der Härtung zu entfernen.

Die Härtung erfolgte über acht Stunden bei Raumtemperatur. In die fertigen Präparate wurden jeweils drei Längsrinnen eingraviert, um bei der CT-Bildbearbeitung (Computertomographie) als Bezugspunkt zu dienen. Zur Planung der Position von Registrierungsmarkern (siehe 2.1.2.) erfolgte anschließend eine Bildgebung im fpVCT (flächendetektorbasierte Volumen-CT, GE Global Research Niskayuna, NY, USA) in Göttingen. Die entstandenen Datensätze wurden in ein DICOM-Format exportiert.

2.1.2. Schliffpräparation

Den Proben wurden drei Referenzmarker zugefügt, um akkurate Bildregistrierungen und Messungen zu gewährleisten. Zur optimalen Positionierung der Marker wurden die zuvor angefertigten fpVCT-Daten herangezogen, um mit Hilfe des Programms iPlan® ENT 2.6 (Brain LAB AG, Feldkirchen, Germany) für jedes eingebettete Felsenbein drei Bohrlöcher (Durchmesser 3,2 mm) zu planen. Dadurch sollte sichergestellt werden, dass keine Innenohrstrukturen durch die drei anzufertigenden Bohrlöcher zerstört wurden. Das Bohren erfolgte durch eine rechnergestützte Steuerung. Nach Einfügen von schwarzen Plastikstiften in die Bohrlöcher, um einen möglichst hohen Kontrast für den automatisierten Bildregistrierungsalgorithmus nach dem Zuschneiden zu erzielen, erfolgte manuell das Abtragen der einzelnen Schliffpräparatschichten mit einer Mikro-Schleifmaschine (LaboPol-5, Struers A/S, Ballerup, Denmark). Es wurden Schichtdicken von 100 µm angestrebt. Die Kenntnis der exakten Schichtdicken, die um einige Mikrometer schwanken und für eine akkurate 3D-Rekonstruktion notwendig sind, wurde mit Hilfe eines Messgerätes (Heidenhain Specto ST 3048, Heidenhain GmbH, Traunreut, Germany) ermittelt. Eine Färbung der Oberfläche der getrockneten Schliffpräparate erfolgte mit einem Tropfen Acid-Fuchsin, sodass sich Weichgewebsstrukturen violett färbten. Nach Spülung und Trocknung der Präparate wurde die entstandene Oberfläche mit destilliertem Wasser beträufelt, sowie mit einem Deckglas für eine optimierte Bildgebung abgedeckt.