Digital hybridmodellförberedelse för virtuell planering av rekonstruktiva dentoalveolära kirurgiska ingrepp

Summary

Ett arbetsflöde för att skapa tredimensionella (3D) virtuella hybridmodeller har utformats baserat på konstråledatortomografidatauppsättning och intraorala optiska skanningar med hjälp av radiografiska bildsegmenteringsmetoder och ytmodellering i fri form. Digitala modeller används för virtuell planering av rekonstruktiva dentoalveolära kirurgiska ingrepp.

Abstract

Virtuell, hybrid tredimensionell (3D) modellinsamling presenteras i den här artikeln, med hjälp av sekvensen av radiografisk bildsegmentering, rumslig registrering och ytmodellering i fri form. Först rekonstruerades konstråle-datortomografi-dataset med en halvautomatisk segmenteringsmetod. Alveolärt ben och tänder är separerade i olika segment, vilket gör det möjligt att bedöma 3D-morfologi och lokalisering av parodontala intrabeniga defekter. Svårighetsgraden, omfattningen och morfologin av akuta och kroniska alveolära åsdefekter valideras med avseende på intilliggande tänder. På virtuella komplexa vävnadsmodeller kan positioner för tandimplantat planeras i 3D. Med hjälp av rumslig registrering av IOS- och CBCT-data och efterföljande ytmodellering i fri form kan realistiska 3D-hybridmodeller förvärvas, som visualiserar alveolärt ben, tänder och mjukvävnader. Med överlagring av IOS- och CBCT-mjukvävnad kan tjockleken ovanför den tandlösa åsen bedömas om de underliggande bendimensionerna; Därför kan flikdesign och kirurgisk flikhantering bestämmas, och enstaka komplikationer kan undvikas.

Introduction

Tekniska framsteg inom tandvården har möjliggjort datorstödd behandlingsplanering och simulering av kirurgiska ingrepp och protetisk rehabilitering. Två viktiga metoder för 3D-datainsamling inom digital tandvård är: (1) konstråledatortomografi (CBCT)¹ och (2) intraoral optisk skanning (IOS)². Digital information om alla relevanta anatomiska strukturer (alveolarben, tänder, mjukvävnader) kan erhållas med hjälp av dessa verktyg för att planera rekonstruktiva dentoalveolära kirurgiska ingrepp.

Konstråletekniken introducerades för första gången 1996 av en italiensk forskargrupp. CBCT ger betydligt lägre stråldos och högre upplösning (jämfört med konventionell datortomografi) och har snabbt blivit den mest använda 3D-avbildningsmodaliteten inom tandvård och oral kirurgi³. CBCT används ofta för att planera olika kirurgiska ingrepp (t.ex. parodontal regenerativ kirurgi, förstärkning av alveolarryggen, placering av tandimplantat, ortognatisk kirurgi)¹. CBCT-datauppsättningar visas och kan bearbetas i radiografisk bildprogramvara som tillhandahåller 2D-bilder och 3D-renderingar – men de flesta bildbehandlingsprogram använder tröskelbaserade algoritmer för 3D-bildrekonstruktion. Tröskelvärden anger de övre och nedre gränserna för ett gråvärdesintervall för voxel. Voxlar som faller mellan dessa gränser kommer att renderas i 3D. Denna metod möjliggör snabb modellförvärv; Men eftersom algoritmen inte kan skilja anatomiska strukturer från metallartefakter och spridning, är 3D-renderingarna mycket felaktiga och har mycket litet diagnostiskt värde ^4,5. Av de skäl som nämns ovan förlitar sig många områden inom tandvården fortfarande på konventionella 2D-röntgenbilder (intraorala röntgenbilder, panoramaröntgen) eller 2D-bilder av CBCT-dataset⁵. Vår forskargrupp presenterade en halvautomatisk bildsegmenteringsmetod i en nyligen publicerad artikel, med hjälp av radiografisk bildbehandlingsprogramvara med öppen källkod⁶ där anatomiskt baserad 3D-rekonstruktion av CBCT-dataset utförs⁷. Med hjälp av denna metod kunde anatomiska strukturer särskiljas från metallartefakter, och, ännu viktigare, alveolärt ben och tänder kunde separeras. Därför kan en realistisk virtuell modell av hårda vävnader förvärvas. 3D-modeller användes för att utvärdera intrabeniga parodontala defekter och för behandlingsplanering inför regenerativ parodontal kirurgi.

Intraorala optiska ytskannrar ger digital information om kliniska tillstånd (klinisk krona på tänderna och mjukvävnader). Det ursprungliga syftet med dessa enheter var att direkt förvärva digitala modeller av patienter för planering och tillverkning av tandproteser med datorstödd design (CAD) och datorstödd tillverkning (CAM^{) teknik 8}. Men på grund av det breda utbudet av applikationer implementerades deras användning snabbt inom andra tandvårdsområden. Maxillo-ansiktskirurger kombinerar IOS och CBCT till en hybridinstallation som kan användas för virtuell osteotomi och digital planering av ortognatiska operationer ^9,10. Dentala implantat är förmodligen det område som använder digital planering och guidat utförande oftast. Navigerad kirurgi eliminerar de flesta komplikationer relaterade till felpositionering av implantat. Kombinationen av CBCT-dataset och stereolitografifiler (.stl) från IOS används rutinmässigt för att planera den guidade implantatplaceringen och tillverkningen av statiska implantatborrguider^11,12. Intraorala skanningar överlagrade över CBCT-datauppsättningar har också använts för att förbereda estetisk kronförlängning¹³; Mjuka vävnader överlagrades dock endast över CBCT-dataset som rekonstruerats med tröskelalgoritmer. Men för att utföra korrekt virtuell 3D-planering av regenerativa-rekonstruktiva kirurgiska ingrepp och placering av tandimplantat måste realistiska 3D-hybridmodeller av patienter bestå av CBCT- och IOS-data.

Därför syftar denna artikel till att presentera en steg-för-steg-metod för att förvärva realistiska hybrida digitala modeller för virtuell kirurgisk planering före rekonstruktiva dentoalveolära kirurgiska ingrepp.

Protocol

Undersökningen genomfördes helt i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Före manuskriptet gavs skriftligt informerat samtycke och undertecknades av patienten. Patienten gav tillstånd till dataanvändning för demonstration av protokollet. 1. Radiografisk bildbehandling Ladda DICOM-filer i programvaranLadda ner den senaste versionen av programvaran för medicinsk bildbehandling och öppna den.OBS: När du har öppnat programvaran visas startskärmen. Klicka…

Representative Results

Virtuella tredimensionella (3D) modeller kan genereras med hjälp av radiografisk bildsegmentering, rumslig registrering och friformsmodellering. Modellerna skildrar den kliniska situationen digitalt, vilket möjliggör tredimensionell planering av olika kirurgiska ingrepp. Med separat segmentering av ben och tänder är gränsen mellan de två anatomiska strukturerna synlig, 3D-morfologi och lokalisering av parodontala intrabeniga defekter ska bedömas. Svårighetsgraden, omfattningen och morfologin av akuta och kronisk…

Discussion

Med det presenterade protokollet kan parodontala och alveolära defektmorfologier visualiseras i tre dimensioner (3D), vilket ger en mer exakt bild av den kliniska situationen än vad som kan uppnås med 2D-diagnostiska metoder och 3D-modeller genererade med tröskelalgoritmer. Protokollet kan delas in i tre huvudfaser: (1) halvautomatisk segmentering av CBCT-dataset, (2) rumslig registrering av CBCT och IOS, och (3) ytmodellering i fri form. Tekniskt sett kan segmentering utföras på vilken tredimensionell röntgenbild…

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.