歯槽骨再建手術の仮想計画のためのデジタルハイブリッドモデル作成
Summary
3次元(3D)仮想ハイブリッドモデルを作成するためのワークフローは、コーンビームコンピュータ断層撮影データセットと、X線画像セグメンテーション法と自由曲面表面モデリングを利用した口腔内光学スキャンに基づいて設計されています。デジタルモデルは、再建歯槽骨手術の仮想計画に使用されます。
Abstract
この記事では、X線画像のセグメンテーション、空間レジストレーション、自由曲面モデリングのシーケンスを利用して、仮想のハイブリッド3次元(3D)モデル取得について説明します。まず、コーンビームコンピュータ断層撮影データセットを半自動セグメンテーション法で再構築しました。歯槽骨と歯は異なるセグメントに分離されており、3D形態と歯周骨内欠損の局在を評価することができます。急性および慢性の歯槽堤欠損の重症度、程度、および形態は、隣接する歯に関して検証されます。仮想の複雑な組織モデルでは、歯科インプラントの位置を3Dで計画できます。IOSおよびCBCTデータの空間レジストレーションとそれに続く自由曲面モデリングにより、歯槽骨、歯、軟部組織を可視化したリアルな3Dハイブリッドモデルを取得できます。IOSとCBCT軟部組織の重ね合わせにより、無歯顎隆起の上の厚さは、下にある骨の寸法について評価できます。したがって、フラップの設計と外科的フラップ管理を決定でき、時折の合併症を回避できる可能性があります。
Introduction
歯科医療の技術的進歩により、外科的処置や補綴リハビリテーションのコンピューター支援治療計画とシミュレーションが可能になりました。デジタル歯科における3Dデータ取得に不可欠な方法は、(1)コーンビームコンピュータ断層撮影(CBCT)1 と(2)口腔内光学スキャン(IOS)2の2つです。これらのツールを使用して、関連するすべての解剖学的構造(歯槽骨、歯、軟部組織)のデジタル情報を取得し、歯槽骨の再建手術を計画することができます。
コーンビーム技術は、1996年にイタリアの研究グループによって初めて導入されました。CBCTは、従来のコンピュータ断層撮影と比較して、大幅に低い放射線量と高い解像度を提供し、歯科および口腔外科で最も頻繁に使用される3Dイメージングモダリティになりました3。CBCTは、さまざまな外科的処置(歯周再生手術、歯槽堤増強術、歯科インプラント埋入、顎矯正手術など)を計画するためによく使用されます1。CBCTデータセットは、2D画像と3Dレンダリングを提供するX線画像イメージングソフトウェアで表示および処理できますが、ほとんどのイメージングソフトウェアは、3D画像の再構成にしきい値ベースのアルゴリズムを使用します。閾値処理法は、ボクセル グレー値の間隔の上限と下限を設定します。これらの境界の間にあるボクセルは、3D でレンダリングされます。この方法により、迅速なモデル取得が可能になります。しかし、このアルゴリズムは解剖学的構造を金属アーチファクトや散乱と区別できないため、3Dレンダリングは非常に不正確であり、診断価値はほとんどありません4,5。上記の理由から、歯科の多くの分野は、従来の2DX線写真(口腔内X線写真、パノラマX線)またはCBCTデータセットの2D画像に依存しています5。私たちの研究グループは、オープンソースのX線画像処理ソフトウェア6を用いて、解剖学的にCBCTデータセットの3次元再構成を行う半自動画像セグメンテーション手法を論文で発表しました7。この方法の助けを借りて、解剖学的構造が金属アーティファクトから区別され、さらに重要なことに、歯槽骨と歯を分離することができました。したがって、硬組織の現実的な仮想モデルを取得することができました。3Dモデルは、骨内歯周欠損症の評価や、再生歯周手術前の治療計画に使用されました。
口腔内光学表面スキャナーは、臨床状態(歯の臨床的被冠および軟部組織)に関するデジタル情報を提供します。これらのデバイスの本来の目的は、コンピューター支援設計(CAD)およびコンピューター支援製造(CAM)技術を使用して歯科補綴物の計画と製造のために、患者のデジタルモデルを直接取得することでした8。しかし、用途が広いため、それらの使用は他の歯科分野ですぐに実装されました。顎顔面外科医は、IOSとCBCTを組み合わせてハイブリッドセットアップを行い、仮想骨切り術と顎矯正手術のデジタル計画に利用できます9,10。歯科インプラント学は、おそらくデジタルプランニングとガイド付き実行を最も一般的に使用する分野です。ナビゲート手術は、インプラントの位置の誤りに関連するほとんどの合併症を排除します。CBCTデータセットとIOSの光造形(.stl)ファイルの組み合わせは、ガイド付きインプラント埋入および静的インプラント掘削ガイドの製造を計画するために日常的に使用されている11,12。CBCTデータセットに重ね合わせた口腔内スキャンは、審美的なクラウン延長の準備にも使用されています13。ただし、軟部組織は、閾値アルゴリズムで再構築されたCBCTデータセットにのみ重ね合わされました。しかし、再生再建外科的介入と歯科インプラント埋入の正確な3D仮想計画を実行するには、患者の現実的な3DハイブリッドモデルをCBCTおよびIOSデータで構成する必要があります。
したがって、この記事では、再建歯槽骨外科的介入の前に、仮想手術計画のための現実的なハイブリッドデジタルモデルを取得するための段階的な方法を提示することを目的としています。
Protocol
Representative Results
Discussion
提示されたプロトコルでは、歯周病と歯槽骨の欠損形態を3次元(3D)で視覚化することができ、2D診断法や閾値アルゴリズムで生成された3Dモデルによって達成できるよりも正確な臨床状況の描写を提供します。このプロトコルは、(1)CBCTデータセットの半自動セグメンテーション、(2)CBCTとIOSの空間レジストレーション、(3)自由曲面モデリングの3つの主要なフェーズに分けることができます。技?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
何一つ
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. |
Referências
- 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).
