Digitale hybride Modellvorbereitung für die virtuelle Planung rekonstruktiver dentoalveolärer chirurgischer Eingriffe
Summary
Es wurde ein Workflow zur Erstellung dreidimensionaler (3D) virtueller Hybridmodelle entwickelt, der auf einem Kegelstrahl-Computertomographie-Datensatz und intraoralen optischen Scans unter Verwendung von Röntgenbildsegmentierungsmethoden und Freiform-Oberflächenmodellierung basiert. Digitale Modelle werden für die virtuelle Planung von rekonstruktiven dentoalveolären chirurgischen Eingriffen eingesetzt.
Abstract
In diesem Artikel wird die virtuelle, hybride dreidimensionale (3D) Modellerfassung vorgestellt, bei der die Abfolge von Röntgenbildsegmentierung, räumlicher Registrierung und Freiform-Oberflächenmodellierung verwendet wird. Zunächst wurden Kegelstrahl-Computertomographie-Datensätze mit einer halbautomatischen Segmentierungsmethode rekonstruiert. Alveolarknochen und Zähne werden in verschiedene Segmente unterteilt, so dass die 3D-Morphologie und die Lokalisation parodontaler intraossärer Defekte beurteilt werden können. Schweregrad, Ausmaß und Morphologie von akuten und chronischen Alveolarkammdefekten werden in Bezug auf benachbarte Zähne validiert. Auf virtuellen komplexen Gewebemodellen können Positionen von Zahnimplantaten in 3D geplant werden. Durch die räumliche Registrierung von IOS- und DVT-Daten und die anschließende Freiform-Oberflächenmodellierung können realistische 3D-Hybridmodelle erstellt werden, die Alveolarknochen, Zähne und Weichteile visualisieren. Durch die Überlagerung von IOS- und DVT-Weichgewebe kann die Dicke oberhalb des zahnlosen Kammes über die darunterliegenden Knochendimensionen beurteilt werden; Daher können das Lappendesign und das chirurgische Lappenmanagement bestimmt und gelegentliche Komplikationen vermieden werden.
Introduction
Technologische Fortschritte in der Zahnmedizin haben die computergestützte Behandlungsplanung und Simulation von chirurgischen Eingriffen und prothetischer Rehabilitation ermöglicht. Zwei wesentliche Methoden zur 3D-Datenerfassung in der digitalen Zahnmedizin sind: (1) Kegelstrahl-Computertomographie (DVT)1 und (2) intraorales optisches Scannen (IOS)2. Mit diesen Werkzeugen können digitale Informationen über alle relevanten anatomischen Strukturen (Alveolarknochen, Zähne, Weichteile) erfasst werden, um rekonstruktive dentoalveoläre chirurgische Eingriffe zu planen.
Die Cone-Beam-Technologie wurde erstmals 1996 von einer italienischen Forschungsgruppe vorgestellt. Mit einer deutlich geringeren Strahlendosis und einer höheren Auflösung (im Vergleich zur herkömmlichen Computertomographie) hat sich das DVT schnell zur am häufigsten verwendeten 3D-Bildgebungsmodalität in der Zahnmedizin und Oralchirurgie entwickelt3. DVT wird häufig verwendet, um verschiedene chirurgische Eingriffe zu planen (z. B. parodontale regenerative Chirurgie, Alveolarkammaugmentation, Einsetzen von Zahnimplantaten, orthognathe Chirurgie)1. DVT-Datensätze werden in Röntgenbildgebungssoftware angezeigt und können verarbeitet werden, die 2D-Bilder und 3D-Renderings liefert – die meisten Bildgebungsprogramme verwenden jedoch schwellenwertbasierte Algorithmen für die 3D-Bildrekonstruktion. Schwellenwertmethoden legen die Ober- und Untergrenze eines Voxel-Grauwertintervalls fest. Voxel, die zwischen diesen Grenzen liegen, werden in 3D gerendert. Diese Methode ermöglicht eine schnelle Modellerfassung. Da der Algorithmus jedoch anatomische Strukturen nicht von Metallartefakten und Streuungen unterscheiden kann, sind die 3D-Renderings sehr ungenau und haben nur einen sehr geringen diagnostischen Wert 4,5. Aus den oben genannten Gründen verlassen sich viele Bereiche der Zahnmedizin immer noch auf konventionelle 2D-Röntgenaufnahmen (intraorale Röntgenaufnahmen, Panorama-Röntgenaufnahmen) oder die 2D-Bilder von DVT-Datensätzen5. Unsere Forschungsgruppe hat in einem kürzlich veröffentlichten Artikel eine halbautomatische Bildsegmentierungsmethode vorgestellt, bei der eine Open-Source-Röntgenbildverarbeitungssoftware6 verwendet wird, bei der eine anatomisch basierte 3D-Rekonstruktion von DVT-Datensätzen durchgeführt wird7. Mit Hilfe dieser Methode konnten anatomische Strukturen von Metallartefakten unterschieden und, was noch wichtiger war, Alveolarknochen und Zähne getrennt werden. Daher konnte ein realistisches virtuelles Modell von Hartgewebe erworben werden. 3D-Modelle wurden zur Beurteilung intraosser parodontaler Defekte und zur Behandlungsplanung vor regenerativen parodontalen Operationen verwendet.
Intraorale optische Oberflächenscanner liefern digitale Informationen über klinische Zustände (klinische Kronen der Zähne und Weichteile). Der ursprüngliche Zweck dieser Geräte bestand darin, digitale Modelle von Patienten für die Planung und Herstellung von Zahnersatz mit Computer-Aided Design (CAD) und Computer-Aided Manufacturing (CAM) Technologien direkt zu erfassen8. Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums wurde ihr Einsatz jedoch schnell in anderen Bereichen der Zahnmedizin umgesetzt. Kiefer- und Gesichtschirurgen kombinieren IOS und DVT zu einem hybriden Setup, das für die virtuelle Osteotomie und die digitale Planung orthognathen Operationen genutzt werden kann 9,10. Die dentale Implantologie ist wahrscheinlich der Bereich, in dem die digitale Planung und die geführte Ausführung am häufigsten zum Einsatz kommen. Die navigierte Chirurgie eliminiert die meisten Komplikationen im Zusammenhang mit einer Fehlpositionierung des Implantats. Die Kombination von DVT-Datensätzen und Stereolithographie-Dateien (.stl) von IOS wird routinemäßig verwendet, um die geführte Implantatinsertion und die Herstellung von statischen Implantatbohrschablonen11,12 zu planen. Intraorale Scans, die über DVT-Datensätze gelegt wurden, wurden auch verwendet, um eine ästhetische Kronenverlängerung vorzubereiten13; Weichteile wurden jedoch nur über DVT-Datensätze gelegt, die mit Schwellwertalgorithmen rekonstruiert wurden. Um jedoch eine genaue virtuelle 3D-Planung von regenerativ-rekonstruktiven chirurgischen Eingriffen und der Platzierung von Zahnimplantaten durchführen zu können, müssen realistische 3D-Hybridmodelle von Patienten aus DVT- und IOS-Daten zusammengesetzt werden.
Daher zielt dieser Artikel darauf ab, eine Schritt-für-Schritt-Methode vorzustellen, um realistische hybride digitale Modelle für die virtuelle Operationsplanung vor rekonstruktiven dentoalveolären chirurgischen Eingriffen zu erhalten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mit dem vorgestellten Protokoll können parodontale und alveoläre Defektmorphologien dreidimensional (3D) visualisiert werden, was eine genauere Darstellung der klinischen Situation ermöglicht, als dies durch 2D-Diagnosemethoden und 3D-Modelle, die mit Schwellwertalgorithmen generiert werden, erreicht werden kann. Das Protokoll kann in drei Hauptphasen unterteilt werden: (1) halbautomatische Segmentierung von DVT-Datensätzen, (2) räumliche Registrierung von DVT und IOS und (3) Freiform-Oberflächenmodellierung. Techn…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nichts
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. |
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