Digital hybridmodelforberedelse til virtuel planlægning af rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske procedurer
Summary
En arbejdsgang til oprettelse af tredimensionelle (3D) virtuelle hybridmodeller er designet baseret på keglestrålecomputertomografidatasæt og intraorale optiske scanninger ved hjælp af radiografiske billedsegmenteringsmetoder og overflademodellering i fri form. Digitale modeller bruges til virtuel planlægning af rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske procedurer.
Abstract
Virtuel, hybrid tredimensionel (3D) modelerhvervelse præsenteres i denne artikel ved hjælp af sekvensen af radiografisk billedsegmentering, rumlig registrering og friformsoverflademodellering. For det første blev keglestrålecomputertomografidatasæt rekonstrueret med en halvautomatisk segmenteringsmetode. Alveolær knogle og tænder adskilles i forskellige segmenter, hvilket gør det muligt at vurdere 3D-morfologi og lokalisering af periodontale intrabenede defekter. Sværhedsgraden, omfanget og morfologien af akutte og kroniske alveolære rygdefekter valideres vedrørende tilstødende tænder. På virtuelle komplekse vævsmodeller kan positioner af tandimplantater planlægges i 3D. Ved hjælp af rumlig registrering af IOS- og CBCT-data og efterfølgende overflademodellering i fri form kan realistiske 3D-hybridmodeller erhverves, der visualiserer alveolær knogle, tænder og blødt væv. Med overlejring af IOS og CBCT blødt væv kan tykkelsen over den edentuløse højderyg vurderes om de underliggende knogledimensioner; Derfor kan klapdesign og kirurgisk klaphåndtering bestemmes, og lejlighedsvise komplikationer kan undgås.
Introduction
Teknologiske fremskridt inden for tandpleje har muliggjort computerstøttet behandlingsplanlægning og simulering af kirurgiske procedurer og protetisk rehabilitering. To vigtige metoder til 3D-dataindsamling inden for digital tandpleje er: (1) keglestrålecomputertomografi (CBCT)1 og (2) intraoral optisk scanning (IOS)2. Digital information om alle relevante anatomiske strukturer (alveolær knogle, tænder, blødt væv) kan erhverves ved hjælp af disse værktøjer til planlægning af rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske procedurer.
Keglestråleteknologi blev først introduceret i 1996 af en italiensk forskergruppe. CBCT leverer betydeligt lavere strålingsdosis og højere opløsning (sammenlignet med konventionel computertomografi) og er hurtigt blevet den mest anvendte 3D-billeddannelsesmodalitet inden for tandpleje og mundkirurgi3. CBCT bruges ofte til at planlægge forskellige kirurgiske procedurer (f.eks. periodontal regenerativ kirurgi, alveolær rygforstørrelse, placering af tandimplantater, ortognatisk kirurgi)1. CBCT-datasæt ses og kan behandles i radiografisk billedbehandlingssoftware, der giver 2D-billeder og 3D-gengivelser – dog bruger de fleste billedbehandlingssoftware tærskelbaserede algoritmer til 3D-billedrekonstruktion. Tærskelmetoder indstiller de øvre og nedre grænser for et voxelgråt værdiinterval. Voxels, der falder mellem disse grænser, gengives i 3D. Denne metode muliggør hurtig modelerhvervelse; Men da algoritmen ikke kan skelne anatomiske strukturer fra metalartefakter og spredning, er 3D-gengivelserne meget unøjagtige og har meget lidt diagnostisk værdi 4,5. Af ovennævnte grunde er mange områder inden for tandpleje stadig afhængige af konventionelle 2D-røntgenbilleder (intraorale røntgenbilleder, panoramarøntgen) eller 2D-billeder af CBCT-datasæt5. Vores forskningsgruppe præsenterede en halvautomatisk billedsegmenteringsmetode i en nyligt offentliggjort artikel ved hjælp af open source radiografisk billedbehandlingssoftware6, hvor anatomisk baseret 3D-rekonstruktion af CBCT-datasæt udføres7. Ved hjælp af denne metode blev anatomiske strukturer differentieret fra metalartefakter, og vigtigere kunne alveolær knogle og tænder adskilles. Derfor kunne en realistisk virtuel model af hårdt væv erhverves. 3D-modeller blev brugt til at evaluere intrabenede periodontale defekter og til behandlingsplanlægning før regenerative periodontale operationer.
Intraorale optiske overfladescannere giver digital information om kliniske tilstande (klinisk krone af tænder og blødt væv). Det oprindelige formål med disse enheder var direkte at erhverve digitale modeller af patienter til planlægning og fremstilling af tandproteser med computerstøttet design (CAD) og computerstøttet fremstilling (CAM)teknologier 8. På grund af den brede vifte af applikationer blev deres anvendelse imidlertid hurtigt implementeret inden for andre områder af tandpleje. Maxillo-ansigtskirurger kombinerer IOS og CBCT i en hybrid opsætning, der kan bruges til virtuel osteotomi og digital planlægning af ortognatiske operationer 9,10. Tandimplantologi er sandsynligvis det felt, der oftest bruger digital planlægning og guidet udførelse. Navigeret kirurgi eliminerer de fleste komplikationer relateret til forkert placering af implantater. Kombinationen af CBCT-datasæt og stereolitografifiler (.stl) fra IOS bruges rutinemæssigt til at planlægge den guidede implantatplacering og fremstillingen af statiske implantatborevejledninger11,12. Intraorale scanninger overlejret over CBCT-datasæt er også blevet brugt til at forberede æstetisk kroneforlængelse13; blødt væv blev dog kun overlejret over CBCT-datasæt rekonstrueret med tærskelalgoritmer. Men for at udføre nøjagtig 3D virtuel planlægning af regenerativ-rekonstruktive kirurgiske indgreb og tandimplantatplacering skal realistiske 3D-hybridmodeller af patienter bestå af CBCT- og IOS-data.
Derfor har denne artikel til formål at præsentere en trinvis metode til at erhverve realistiske hybride digitale modeller til virtuel kirurgisk planlægning før rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske indgreb.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med den præsenterede protokol kan periodontale og alveolære defektmorfologier visualiseres i tre dimensioner (3D), hvilket giver en mere nøjagtig skildring af den kliniske situation, end der kan opnås ved 2D-diagnostiske metoder og 3D-modeller genereret med tærskelalgoritmer. Protokollen kan opdeles i tre hovedfaser: (1) halvautomatisk segmentering af CBCT-datasæt, (2) rumlig registrering af CBCT og IOS og (3) overflademodellering i fri form. Teknisk set kan segmentering udføres på ethvert tredimensionelt radiogr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen
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. |
References
- 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).
