Digitale hybride modelvoorbereiding voor virtuele planning van reconstructieve dentoalveolaire chirurgische ingrepen
Summary
Er is een workflow ontworpen voor het maken van driedimensionale (3D) virtuele hybride modellen op basis van cone-beam computertomografiedataset en intraorale optische scans met behulp van radiografische beeldsegmentatiemethoden en modellering van het oppervlak in vrije vorm. Digitale modellen worden gebruikt voor de virtuele planning van reconstructieve dentoalveolaire chirurgische ingrepen.
Abstract
Virtuele, hybride driedimensionale (3D) modelacquisitie wordt in dit artikel gepresenteerd, waarbij gebruik wordt gemaakt van de opeenvolging van radiografische beeldsegmentatie, ruimtelijke registratie en modellering van het oppervlak in vrije vorm. Eerst werden cone-beam computertomografie datasets gereconstrueerd met behulp van een semi-automatische segmentatiemethode. Alveolair bot en tanden worden gescheiden in verschillende segmenten, waardoor 3D-morfologie en lokalisatie van parodontale intrabony-defecten kunnen worden beoordeeld. De ernst, omvang en morfologie van acute en chronische alveolaire kamdefecten worden gevalideerd met betrekking tot aangrenzende tanden. Op virtuele complexe weefselmodellen kunnen posities van tandheelkundige implantaten in 3D worden gepland. Door gebruik te maken van ruimtelijke registratie van IOS- en CBCT-gegevens en daaropvolgende modellering van het oppervlak in vrije vorm, kunnen realistische 3D-hybride modellen worden verkregen, waarbij alveolair bot, tanden en zachte weefsels worden gevisualiseerd. Met de superpositie van IOS en CBCT zacht weefsel kan de dikte boven de tandeloze kam worden beoordeeld over de onderliggende botafmetingen; Daarom kunnen het ontwerp van de flap en het beheer van de chirurgische flap worden bepaald en kunnen incidentele complicaties worden vermeden.
Introduction
Technologische vooruitgang in de tandheelkunde heeft computerondersteunde behandelplanning en simulatie van chirurgische ingrepen en prothetische revalidatie mogelijk gemaakt. Twee essentiële methoden voor 3D-data-acquisitie in digitale tandheelkunde zijn: (1) cone-beam computertomografie (CBCT)1 en (2) intraoraal optisch scannen (IOS)2. Digitale informatie van alle relevante anatomische structuren (alveolair bot, tanden, zachte weefsels) kan worden verkregen met behulp van deze tools om reconstructieve dentoalveolaire chirurgische ingrepen te plannen.
Cone-beam-technologie werd voor het eerst geïntroduceerd in 1996 door een Italiaanse onderzoeksgroep. Met een aanzienlijk lagere stralingsdosis en een hogere resolutie (vergeleken met conventionele computertomografie) is CBCT snel uitgegroeid tot de meest gebruikte 3D-beeldvormingsmodaliteit in de tandheelkunde en kaakchirurgie3. CBCT wordt vaak gebruikt om verschillende chirurgische ingrepen te plannen (bijv. parodontale regeneratieve chirurgie, alveolaire nokvergroting, plaatsing van tandheelkundige implantaten, orthognatische chirurgie)1. CBCT-datasets worden bekeken en kunnen worden verwerkt in radiografische beeldvormingssoftware die 2D-beelden en 3D-renders levert, maar de meeste beeldvormingssoftware gebruikt drempelgebaseerde algoritmen voor 3D-beeldreconstructie. Drempelmethoden bepalen de boven- en ondergrens van een voxelgrijswaarde-interval. Voxels die tussen deze grenzen vallen, worden in 3D weergegeven. Deze methode maakt een snelle modelverwerving mogelijk; omdat het algoritme echter geen onderscheid kan maken tussen anatomische structuren en metalen artefacten en verstrooiing, zijn de 3D-renders zeer onnauwkeurig en hebben ze zeer weinig diagnostische waarde 4,5. Om de hierboven genoemde redenen vertrouwen veel gebieden binnen de tandheelkunde nog steeds op conventionele 2D-röntgenfoto’s (intraorale röntgenfoto’s, panoramische röntgenfoto’s) of de 2D-beelden van CBCT-datasets5. Onze onderzoeksgroep presenteerde een semi-automatische beeldsegmentatiemethode in een recent gepubliceerd artikel, met behulp van open-source radiografische beeldverwerkingssoftware6 waarin anatomisch gebaseerde 3D-reconstructie van CBCT-datasets wordt uitgevoerd7. Met behulp van deze methode werden anatomische structuren onderscheiden van metalen artefacten en, nog belangrijker, alveolair bot en tanden konden worden gescheiden. Daarom kon een realistisch virtueel model van harde weefsels worden verkregen. 3D-modellen werden gebruikt om intrabony parodontale defecten te evalueren en voor behandelingsplanning vóór regeneratieve parodontale operaties.
Intraorale optische oppervlaktescanners geven digitale informatie over klinische aandoeningen (klinische kroon van de tanden en zachte delen). Het oorspronkelijke doel van deze apparaten was om rechtstreeks digitale modellen van patiënten te verwerven voor de planning en fabricage van tandprothesen met computer-aided design (CAD) en computer-aided manufacturing (CAM)-technologieën8. Vanwege het brede scala aan toepassingen werd het gebruik ervan echter snel geïmplementeerd in andere gebieden van de tandheelkunde. Maxillo-faciale chirurgen combineren IOS en CBCT in een hybride opstelling die kan worden gebruikt voor virtuele osteotomie en digitale planning van orthognatische operaties 9,10. Tandheelkundige implantologie is waarschijnlijk het vakgebied dat het meest gebruik maakt van digitale planning en begeleide uitvoering. Genavigeerde chirurgie elimineert de meeste complicaties die verband houden met een verkeerde positionering van het implantaat. De combinatie van CBCT-datasets en stereolithografiebestanden (.stl) van IOS wordt routinematig gebruikt om de geleide plaatsing van implantaten en de fabricage van statische implantaatboorgeleiders te plannen11,12. Intraorale scans die over CBCT-datasets zijn gelegd, zijn ook gebruikt om esthetische kroonverlenging voor te bereiden13; zachte weefsels werden echter alleen over CBCT-datasets heen gelegd die waren gereconstrueerd met drempelalgoritmen. Maar om nauwkeurige virtuele 3D-planning van regeneratief-reconstructieve chirurgische ingrepen en plaatsing van tandheelkundige implantaten uit te voeren, moeten realistische hybride 3D-modellen van patiënten worden samengesteld uit CBCT- en IOS-gegevens.
Daarom is dit artikel bedoeld om een stapsgewijze methode te presenteren om realistische hybride digitale modellen te verwerven voor virtuele chirurgische planning vóór reconstructieve dentoalveolaire chirurgische ingrepen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met het gepresenteerde protocol kunnen parodontale en alveolaire defectmorfologieën in drie dimensies (3D) worden gevisualiseerd, wat een nauwkeurigere weergave van de klinische situatie oplevert dan kan worden bereikt met 2D-diagnostische methoden en 3D-modellen die zijn gegenereerd met drempelalgoritmen. Het protocol kan worden onderverdeeld in drie hoofdfasen: (1) semi-automatische segmentatie van CBCT-datasets, (2) ruimtelijke registratie van CBCT en IOS, en (3) modellering van het oppervlak in vrije vorm. Technisch…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen
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. |
Referenzen
- Jacobs, R., Salmon, B., Codari, M., Hassan, B., Bornstein, M. Cone beam computed tomography in implant dentistry: recommendations for clinical use. BMC Oral Health. 18 (1), 88 (2018).
- Mangano, F., Gandolfi, A., Luongo, G., Logozzo, S. Intraoral scanners in dentistry: a review of the current literature. BMC Oral Health. 17 (1), 149 (2017).
- Pauwels, R., Araki, K., Siewerdsen, J. H., Thongvigitmanee, S. S. Technical aspects of dental CBCT: state of the art. Dentomaxillofacial Radiology. 44 (1), 20140224 (2015).
- Queiroz, P. M., Santaella, G. M., Groppo, F. C., Freitas, D. Q. Metal artifact production and reduction in CBCT with different numbers of basis images. Imaging Science in Dentistry. 48 (1), 41-44 (2018).
- Scarfe, W. C., Azevedo, B., Pinheiro, L. R., Priaminiarti, M., Sales, M. A. O. The emerging role of maxillofacial radiology in the diagnosis and management of patients with complex periodontitis. Periodontology 2000. 74 (1), 116-139 (2017).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the Quantitative Imaging Network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Palkovics, D., Mangano, F. G., Nagy, K., Windisch, P. Digital three-dimensional visualization of intrabony periodontal defects for regenerative surgical treatment planning. BMC Oral Health. 20 (1), 351 (2020).
- Papadiochou, S., Pissiotis, A. L. Marginal adaptation and CAD-CAM technology: A systematic review of restorative material and fabrication techniques. Journal of Prosthetic Dentisty. 119 (4), 545-551 (2018).
- Xia, J. J., et al. Algorithm for planning a double-jaw orthognathic surgery using a computer-aided surgical simulation (CASS) protocol. Part 1: planning sequence. International Journal of Oral Maxillofacial Surgery. 44 (12), 1431-1440 (2015).
- Xia, J. J., et al. Algorithm for planning a double-jaw orthognathic surgery using a computer-aided surgical simulation (CASS) protocol. Part 2: three-dimensional cephalometry. International Journal of Oral Maxillofacial Surgery. 44 (12), 1441-1450 (2015).
- Lee, C. Y., Ganz, S. D., Wong, N., Suzuki, J. B. Use of cone beam computed tomography and a laser intraoral scanner in virtual dental implant surgery: part 1. Implant Dentistry. 21 (4), 265-271 (2012).
- Ganz, S. D. Three-dimensional imaging and guided surgery for dental implants. Dental Clinics of North America. 59 (2), 265-290 (2015).
- Güth, J. F., Kauling, A. E. C., Schweiger, J., Kühnisch, J., Stimmelmayr, M. Virtual simulation of periodontal surgery including presurgical CAD/CAM fabrication of tooth-colored removable splints on the basis of CBCT Data: A case report. The International Journal of Periodontics & Restorative Dentistry. 37 (6), 310-320 (2017).
- Pauwels, R., et al. Effective radiation dose and eye lens dose in dental cone beam CT: effect of field of view and angle of rotation. The British Journal of Radiology. 87 (1042), 20130654 (2014).
- Li, Q., Chen, K., Han, L., Zhuang, Y., Li, J., Lin, J. Automatic tooth roots segmentation of cone beam computed tomography image sequences using U-net and RNN. Journal of X-ray Science and Technology. 28 (5), 905-922 (2020).
- Lahoud, P., et al. Artificial intelligence for fast and accurate 3D tooth segmentation on CBCT. Journal of Endodontics. 47 (5), 827-835 (2021).
- Blume, O., Donkiewicz, P., Back, M., Born, T. Bilateral maxillary augmentation using CAD/CAM manufactured allogenic bone blocks for restoration of congenitally missing teeth: A case report. Journal of Esthetic and Restorative Dentistry. 31 (3), 171-178 (2019).
- Hartmann, A., Seiler, M. Minimizing risk of customized titanium mesh exposures – a retrospective analysis. BMC Oral Health. 20 (1), 36 (2020).
- Varga, E., et al. Guidance means accuracy: A randomized clinical trial on freehand versus guided dental implantation. Clinical Oral Implants Research. 31 (5), 417-430 (2020).
