数字化混合模型制备用于牙槽重建手术的虚拟规划

摘要

基于锥形束计算机断层扫描数据集和口内光学扫描，结合放射影像分割方法与自由曲面建模，设计了一种创建三维（3D）虚拟混合模型的工作流程。数字模型用于牙槽骨重建外科手术的虚拟规划。

摘要

本文介绍了一种虚拟的、混合式三维（3D）模型获取方法，该方法依次采用放射影像分割、空间配准和自由曲面建模技术。首先，采用半自动分割方法重建锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据集。牙槽骨与牙齿被分离为不同的区域，从而可评估牙周骨内缺损的三维形态及其位置。根据邻近牙齿的情况，对急性和慢性牙槽嵴缺损的严重程度、范围和形态进行验证。在虚拟的复合组织模型上，可进行牙种植体位置的三维规划。通过口内扫描（IOS）与CBCT数据的空间配准，继而进行自由曲面建模，可获得逼真的三维混合模型，以可视化牙槽骨、牙齿及软组织。通过叠加IOS与CBCT的软组织信息，可评估无牙区牙槽嵴上方的软组织厚度与其下方骨组织尺寸的关系，从而确定瓣膜设计及手术翻瓣管理方案，避免可能发生的并发症。

引言

牙科技术的进步使得计算机辅助治疗计划以及手术和修复治疗的模拟成为可能。数字化牙科中三维数据采集的两种基本方法是：（1）锥形束计算机断层扫描（CBCT）¹ 和（2）口内光学扫描（IOS）²。利用这些工具可获取所有相关解剖结构（牙槽骨、牙齿、软组织）的数字化信息，用于规划牙槽骨重建外科手术。

锥形束技术最早由一个意大利研究团队于1996年提出。相较于传统计算机断层扫描，锥形束CT（CBCT）具有显著更低的辐射剂量和更高的分辨率，已迅速成为牙科和口腔外科中最常用的三维成像方式³CBCT 常用于规划不同的外科手术（例如，牙周再生手术、牙槽嵴增高术、牙种植体植入、正颌手术）¹CBCT 数据集可在放射影像软件中查看并进行处理，以生成二维图像和三维重建图像。然而，大多数影像软件采用基于阈值的算法进行三维图像重建。阈值法设定体素灰度值区间的上下限，落在该区间内的体素将被用于三维重建。该方法可实现快速建模；但由于算法无法区分解剖结构与金属伪影及散射干扰，所生成的三维图像准确性极低，诊断价值十分有限^4,5由于上述原因，牙科领域的许多方面仍然依赖传统的二维放射影像（口内片、全景X线片）或锥形束....

方案

本研究完全遵循《赫尔辛基宣言》的规定进行。在撰写论文之前，患者已提供并签署书面知情同意书。患者同意将其数据用于本操作方案的演示。

1. X射线影像处理

1. 将DICOM文件加载到软件中
   1. 下载最新版本的医学影像软件并打开。
      注意：打开软件后，将出现主屏幕。
   2. 在侧边栏点击加载DICOM数据。
      注意：DICOM数据库将弹出，显示先前已加载的DICOM数据集。
      1. 在DICOM数据库中点击导入DICOM文件，选择目标文件夹中的DICOM数据集，然后点击导入。
         注意：新添加的DICOM数据集将出现在研究列表中。
   3. 选择相应的研究项目，然后点击窗口底部的加载。
      注意：DICOM数据集将被打开，加载数据的四个视图（冠状面、轴向面、矢状面和3D视图）将可见。节点列在左侧。理论上，无论图像质量（体素大小、伪影）如何，所述方法均可应用于任何CT或CBCT。然而，高质量CBCT/CT扫描的分割过程更为直接，且可获得更高品质的3D模型。示例CBCT扫描的参数如下：体素大小：150 µm，阳极电压：84 kV，管电流：40 mA，视野：8 x 5 cm。该过程可在任意阶段暂停；退....

结果

通过放射影像分割、空间配准和自由形态建模，可生成虚拟的三维（3D）模型。这些模型以数字化方式呈现临床状况，使得各类外科手术的三维规划成为可能。通过对骨组织和牙齿分别进行分割，可清晰显示两种解剖结构之间的边界，从而评估牙周骨内缺损的三维形态和定位。还可根据邻近牙齿的情况，评估急性和慢性牙槽嵴缺损的严重程度、范围和形态。医学图像处理软件中常见的多种半自动分割工具（图1）（图2）（例如边缘检测工具、形态学轮廓插值算法）可缩短分割所需时间（图3）。然而，由于牙齿与牙槽骨的体素灰度值相近，两者的分离必须手动完成，这一过程可能十分耗时。此外，锥形束CT（CBCT）扫描中存在的伪影也会阻碍分割过程的进行。

将口内扫描（IOS）与后续的计算机辅助设计（CAD）建模叠加，可实现临床情况的三维观察。在IOS模型上，牙齿与软组织被分离（图4）。牙齿的三维模型由锥形束C.......

讨论

通过本方案，可对牙周及牙槽骨缺损形态进行三维（3D）可视化，相较于二维诊断方法及使用阈值算法生成的三维模型，能够更准确地呈现临床实际情况。该方案可分为三个主要阶段：（1）锥形束CT（CBCT）数据集的半自动分割，（2）CBCT与口内扫描（IOS）数据的空间配准，以及（3）自由曲面建模。从技术上讲，分割可在任何三维放射影像上进行；然而，低质量数据集的重建更具挑战性。因此，建议采用较小的体素尺寸（约 120 µm）、管电流（12 mA）和阳极电压（80 kV）¹⁴。由于咬合平面会产生大量散射，CBCT成像时应保留足够的咬合间隙。

半自动分割过程的特定步骤已实现自动化，但仍有一些操作需要手动分割，从而延长了整个过程的耗时。为了缩短分割所需时间，已开发出基于人工智能（AI）的卷积神经网络，用于牙齿和骨骼的快速自动分割^15,16。在机器学习中，用于图像分析的卷积神经网络需基于样本数据库进行表征学习，且数据库中图像的特征必须具有相.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3DSlicer	3DSlicer（该软件最初由Queen’加拿大某大学，由于其开源性质，目前仍持续得到开发与维护’s 社区)	4.13.0-2021-03-19	开源放射影像图像处理软件平台。该软件主要用于普通医学领域，但其丰富的分割与建模工具也使其适用于其他应用’也用于牙科用途
Meshmixer	欧特克有限公司	3.5	一款开源的自由曲面建模软件，专为原型开发和基础3D雕刻而设计。然而，由于其工具在牙科应用中的实用性，该软件不仅可用于设计3D模型，还可用于设计导航手术的静态导板。