Preparazione del modello ibrido digitale per la pianificazione virtuale delle procedure chirurgiche dentoalveolari ricostruttive

Summary

È stato progettato un flusso di lavoro per la creazione di modelli ibridi virtuali tridimensionali (3D) basati su set di dati di tomografia computerizzata a fascio conico e scansioni ottiche intraorali utilizzando metodi di segmentazione delle immagini radiografiche e modellazione di superfici a forma libera. I modelli digitali vengono utilizzati per la pianificazione virtuale delle procedure chirurgiche dentoalveolari ricostruttive.

Abstract

In questo articolo viene presentata l’acquisizione di modelli tridimensionali (3D) virtuali e ibridi, che utilizzano la sequenza di segmentazione delle immagini radiografiche, la registrazione spaziale e la modellazione di superfici a forma libera. In primo luogo, i set di dati di tomografia computerizzata a fascio conico sono stati ricostruiti con un metodo di segmentazione semi-automatico. L’osso alveolare e i denti sono separati in diversi segmenti, consentendo di valutare la morfologia 3D e la localizzazione dei difetti intraossei parodontali. La gravità, l’estensione e la morfologia dei difetti acuti e cronici della cresta alveolare sono convalidati per quanto riguarda i denti adiacenti. Su modelli di tessuti complessi virtuali, le posizioni degli impianti dentali possono essere pianificate in 3D. Utilizzando la registrazione spaziale dei dati IOS e CBCT e la successiva modellazione di superfici a forma libera, è possibile acquisire modelli ibridi 3D realistici, visualizzando osso alveolare, denti e tessuti molli. Con la sovrapposizione dei tessuti molli IOS e CBCT, è possibile valutare lo spessore al di sopra della cresta edentula rispetto alle dimensioni dell’osso sottostante; Pertanto, è possibile determinare il design del lembo e la gestione chirurgica del lembo e evitare complicanze occasionali.

Introduction

I progressi tecnologici in odontoiatria hanno consentito la pianificazione del trattamento assistita da computer e la simulazione di procedure chirurgiche e riabilitazione protesica. Due metodi essenziali per l’acquisizione di dati 3D in odontoiatria digitale sono: (1) tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT)¹ e (2) scansione ottica intraorale (IOS)². Le informazioni digitali di tutte le strutture anatomiche rilevanti (osso alveolare, denti, tessuti molli) possono essere acquisite utilizzando questi strumenti per pianificare le procedure chirurgiche dentoalveolari ricostruttive.

La tecnologia Cone-beam è stata introdotta per la prima volta nel 1996 da un gruppo di ricerca italiano. Fornendo una dose di radiazioni significativamente inferiore e una risoluzione più elevata (rispetto alla tomografia computerizzata convenzionale), la CBCT è diventata rapidamente la modalità di imaging 3D più utilizzata in odontoiatria e chirurgia orale³. La CBCT viene spesso utilizzata per pianificare diverse procedure chirurgiche (ad esempio, chirurgia rigenerativa parodontale, aumento della cresta alveolare, posizionamento di impianti dentali, chirurgia ortognatica)¹. I set di dati CBCT vengono visualizzati e possono essere elaborati in un software di imaging radiografico che fornisce immagini 2D e rendering 3D, tuttavia, la maggior parte dei software di imaging utilizza algoritmi basati su soglie per la ricostruzione dell’immagine 3D. I metodi di soglia impostano i limiti superiore e inferiore di un intervallo di valori di grigio voxel. I voxel che si trovano tra questi limiti verranno renderizzati in 3D. Questo metodo consente una rapida acquisizione del modello; tuttavia, poiché l’algoritmo non è in grado di differenziare le strutture anatomiche dagli artefatti metallici e dallo scattering, i rendering 3D sono altamente imprecisi e hanno un valore diagnostico molto basso ^4,5. Per le ragioni sopra menzionate, molti campi dell’odontoiatria si affidano ancora alle radiografie 2D convenzionali (radiografie intraorali, radiografie panoramiche) o alle immagini 2D dei set di dati CBCT⁵. Il nostro gruppo di ricerca ha presentato un metodo di segmentazione semi-automatica delle immagini in un articolo pubblicato di recente, utilizzando un software open-source di elaborazione delle immagini radiografiche⁶ in cui viene eseguita la ricostruzione 3D su base anatomica dei set di dati CBCT⁷. Con l’aiuto di questo metodo, le strutture anatomiche sono state differenziate dai manufatti metallici e, cosa più importante, è stato possibile separare l’osso alveolare e i denti. Pertanto, è stato possibile acquisire un modello virtuale realistico dei tessuti duri. I modelli 3D sono stati utilizzati per valutare i difetti parodontali intraossei e per la pianificazione del trattamento prima degli interventi chirurgici parodontali rigenerativi.

Gli scanner ottici intraorali di superficie forniscono informazioni digitali sulle condizioni cliniche (corona clinica dei denti e tessuti molli). Lo scopo originario di questi dispositivi era quello di acquisire direttamente modelli digitali di pazienti per la pianificazione e la fabbricazione di protesi dentarie con tecnologie di progettazione assistita da computer (CAD) e produzione assistita da computer (CAM)⁸. Tuttavia, a causa dell’ampia gamma di applicazioni, il loro utilizzo è stato rapidamente implementato in altri campi dell’odontoiatria. I chirurghi maxillo-facciali combinano IOS e CBCT in una configurazione ibrida che può essere utilizzata per l’osteotomia virtuale e la pianificazione digitale degli interventi chirurgici ortognatici ^9,10. L’implantologia dentale è probabilmente il campo che utilizza più comunemente la pianificazione digitale e l’esecuzione guidata. La chirurgia navigata elimina la maggior parte delle complicanze legate al posizionamento errato dell’impianto. La combinazione di set di dati CBCT e file di stereolitografia (.stl) di IOS viene utilizzata di routine per pianificare il posizionamento guidato dell’impianto e la fabbricazione di guide statiche per la fresatura dell’impianto^11,12. Le scansioni intraorali sovrapposte ai set di dati CBCT sono state utilizzate anche per preparare l’allungamento estetico della corona¹³; tuttavia, i tessuti molli sono stati sovrapposti solo su set di dati CBCT ricostruiti con algoritmi di soglia. Tuttavia, per eseguire un’accurata pianificazione virtuale 3D degli interventi chirurgici rigenerativi-ricostruttivi e del posizionamento degli impianti dentali, i modelli ibridi 3D realistici dei pazienti devono essere composti da dati CBCT e IOS.

Pertanto, questo articolo mira a presentare un metodo passo-passo per acquisire modelli digitali ibridi realistici per la pianificazione chirurgica virtuale prima degli interventi chirurgici dentoalveolari ricostruttivi.

Protocol

Questo studio è stato condotto in piena conformità con la Dichiarazione di Helsinki. Prima della preparazione del manoscritto, il consenso informato scritto è stato fornito e firmato dal paziente. Il paziente ha concesso l’autorizzazione per l’utilizzo dei dati per la dimostrazione del protocollo. 1. Elaborazione delle immagini radiografiche Caricare i file DICOM nel softwareScarica la versione più recente del software di imaging medicale e aprila.NOTA: Dopo aver aper…

Representative Results

I modelli tridimensionali (3D) virtuali possono essere generati utilizzando la segmentazione delle immagini radiografiche, la registrazione spaziale e la modellazione a forma libera. I modelli rappresentano digitalmente la situazione clinica, rendendo possibile la pianificazione tridimensionale dei vari interventi chirurgici. Con la segmentazione separata dell’osso e dei denti, il confine tra le due strutture anatomiche è visibile, la morfologia 3D e la localizzazione dei difetti intraossei parodontali devono essere val…

Discussion

Con il protocollo presentato, le morfologie dei difetti parodontali e alveolari possono essere visualizzate in tre dimensioni (3D), fornendo una rappresentazione più accurata della situazione clinica rispetto a quella ottenibile con metodi diagnostici 2D e modelli 3D generati con algoritmi di soglia. Il protocollo può essere suddiviso in tre fasi principali: (1) segmentazione semiautomatica dei set di dati CBCT, (2) registrazione spaziale di CBCT e IOS e (3) modellazione di superfici a forma libera. Tecnicamente, la se…

Materials

3DSlicer	3DSlicer (The software was first developed at Queen’s University Canada and since it is open source it is constantly developed by it’s community)	4.13.0-2021-03-19	Open source radiographic image processing software platform. Software is primarily intended for general medicine, however the wide range of segmentation an modelling tools allow it’s use for dental purposes as well
Meshmixer	Autodesk Inc.	3.5	Open source free form surface modelling software developed for prototype development and basic 3D sculpting. However, due to the usefulness of tools for dental purpose, not just 3D models, but even static guides for navigated surgery can be designed.