Digital hybridmodellforberedelse for virtuell planlegging av rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske prosedyrer

Summary

En arbeidsflyt for oppretting av tredimensjonale (3D) virtuelle hybridmodeller er utformet basert på datasett med konstrålecomputertomografi og intraorale optiske skanninger ved hjelp av radiografiske bildesegmenteringsmetoder og overflatemodellering i fri form. Digitale modeller brukes til virtuell planlegging av rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske prosedyrer.

Abstract

Virtuell, hybrid tredimensjonal (3D) modelloppkjøp presenteres i denne artikkelen, ved hjelp av sekvensen av radiografisk bildesegmentering, romlig registrering og friforms overflatemodellering. For det første ble keglestråle-computertomografidatasett rekonstruert med en halvautomatisk segmenteringsmetode. Alveolær bein og tenner er delt inn i forskjellige segmenter, slik at 3D-morfologi og lokalisering av periodontale intrabony defekter kan vurderes. Alvorlighetsgraden, omfanget og morfologien av akutte og kroniske alveolære ryggdefekter er validert angående tilstøtende tenner. På virtuelle komplekse vevsmodeller kan posisjoner av tannimplantater planlegges i 3D. Ved hjelp av romlig registrering av IOS- og CBCT-data og påfølgende overflatemodellering i fri form, kan realistiske 3D-hybridmodeller anskaffes, visualisere alveolær bein, tenner og bløtvev. Med overlagring av IOS og CBCT bløtvev kan tykkelsen over den edentuløse ryggen vurderes om de underliggende beindimensjonene; Derfor kan klaffdesign og kirurgisk klaffhåndtering bestemmes, og sporadiske komplikasjoner kan unngås.

Introduction

Teknologiske fremskritt innen tannbehandling har muliggjort dataassistert behandlingsplanlegging og simulering av kirurgiske prosedyrer og proteserehabilitering. To viktige metoder for 3D-datainnsamling i digital tannbehandling er: (1) cone-beam computertomografi (CBCT)¹ og (2) intraoral optisk skanning (IOS)². Digital informasjon om alle relevante anatomiske strukturer (alveolær bein, tenner, bløtvev) kan anskaffes ved hjelp av disse verktøyene for å planlegge rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske prosedyrer.

Cone-beam teknologi ble først introdusert i 1996 av en italiensk forskergruppe. CBCT leverer betydelig lavere stråledose og høyere oppløsning (sammenlignet med konvensjonell computertomografi), og har raskt blitt den mest brukte 3D-bildebehandlingsmodaliteten i tannbehandling og oral kirurgi³. CBCT brukes ofte til å planlegge forskjellige kirurgiske prosedyrer (f.eks. periodontal regenerativ kirurgi, alveolær ryggforstørrelse, tannimplantatplassering, ortognatisk kirurgi)¹. CBCT-datasett vises og kan behandles i radiografisk bildebehandlingsprogramvare som gir 2D-bilder og 3D-gjengivelser, men de fleste bildebehandlingsprogrammer bruker terskelbaserte algoritmer for rekonstruksjon av 3D-bilder. Terskelmetoder angir øvre og nedre grense for et voxelgrått verdiintervall. Voxels som faller mellom disse grensene vil bli gjengitt i 3D. Denne metoden tillater rask modelloppkjøp; Men siden algoritmen ikke kan skille anatomiske strukturer fra metallartefakter og spredning, er 3D-gjengivelsene svært unøyaktige og har svært liten diagnostisk verdi ^4,5. Av de grunner som er nevnt ovenfor, er mange felt innen tannbehandling fortsatt avhengige av konvensjonelle 2D-røntgenbilder (intraorale røntgenbilder, panoramarøntgen) eller 2D-bilder av CBCT-datasett⁵. Vår forskningsgruppe presenterte en halvautomatisk bildesegmenteringsmetode i en nylig publisert artikkel, ved hjelp av åpen kildekode-radiografisk bildebehandlingsprogramvare⁶ hvor anatomisk basert 3D-rekonstruksjon av CBCT-datasett utføres⁷. Ved hjelp av denne metoden ble anatomiske strukturer differensiert fra metallartefakter, og enda viktigere, alveolar bein og tenner kunne skilles. Derfor kan en realistisk virtuell modell av hardt vev anskaffes. 3D-modeller ble brukt til å evaluere intrabony periodontale defekter og til behandlingsplanlegging før regenerative periodontale operasjoner.

Intraorale optiske overflateskannere gir digital informasjon om kliniske forhold (klinisk krone av tenner og bløtvev). Det opprinnelige formålet med disse enhetene var å direkte anskaffe digitale modeller av pasienter for planlegging og fabrikasjon av tannproteser med dataassistert design (CAD) og dataassistert produksjon (CAM) teknologier⁸. På grunn av det brede spekteret av applikasjoner ble bruken av dem imidlertid raskt implementert i andre felt av tannbehandling. Maxillo-ansiktskirurger kombinerer IOS og CBCT i et hybridoppsett som kan brukes til virtuell osteotomi og digital planlegging av ortognatiske operasjoner ^9,10. Tannimplantologi er sannsynligvis det feltet som bruker digital planlegging og veiledet utførelse oftest. Navigert kirurgi eliminerer de fleste komplikasjoner relatert til feilposisjonering av implantatet. Kombinasjonen av CBCT-datasett og stereolitografifiler (.stl) fra IOS brukes rutinemessig til å planlegge guidet implantatplassering og fabrikasjon av statiske implantatboreguider^11,12. Intraorale skanninger lagt over CBCT-datasett har også blitt brukt til å forberede estetisk kroneforlengelse¹³; bløtvev ble imidlertid bare lagt over CBCT-datasett rekonstruert med terskelalgoritmer. Likevel, for å utføre nøyaktig virtuell 3D-planlegging av regenerative-rekonstruktive kirurgiske inngrep og tannimplantatplassering, må realistiske 3D-hybridmodeller av pasienter bestå av CBCT- og IOS-data.

Derfor tar denne artikkelen sikte på å presentere en trinnvis metode for å skaffe realistiske hybride digitale modeller for virtuell kirurgisk planlegging før rekonstruktive dentoalveolære kirurgiske inngrep.

Protocol

Denne studien ble gjennomført i full overensstemmelse med Helsinkideklarasjonen. Før utarbeiding av manus ble skriftlig informert samtykke gitt og signert av pasienten. Pasienten ga tillatelse til databruk for demonstrasjon av protokollen. 1. Radiografisk bildebehandling Last inn DICOM-filer i programvarenLast ned den nyeste versjonen av programvaren for medisinsk bildebehandling og åpne den.MERK: Etter at du har åpnet programvaren, vises startskjermen. Kli…

Representative Results

Virtuelle tredimensjonale (3D) modeller kan genereres ved hjelp av radiografisk bildesegmentering, romlig registrering og friformsmodellering. Modellene skildrer den kliniske situasjonen digitalt, og muliggjør tredimensjonal planlegging av ulike kirurgiske inngrep. Med separat segmentering av bein og tenner er grensen mellom de to anatomiske strukturer synlig, 3D-morfologi og lokalisering av periodontale intrabony defekter skal vurderes. Alvorlighetsgraden, omfanget og morfologien av akutte og kroniske alveolære ryggde…

Discussion

Med den presenterte protokollen kan periodontale og alveolære defektmorfologier visualiseres i tre dimensjoner (3D), noe som gir en mer nøyaktig skildring av den kliniske situasjonen enn det som kan oppnås ved 2D-diagnostiske metoder og 3D-modeller generert med terskelalgoritmer. Protokollen kan deles inn i tre hovedfaser: (1) halvautomatisk segmentering av CBCT-datasett, (2) romlig registrering av CBCT og IOS, og (3) overflatemodellering i fri form. Teknisk sett kan segmentering utføres på et hvilket som helst tred…

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.