Preparación de modelos híbridos digitales para la planificación virtual de procedimientos quirúrgicos dentoalveolares reconstructivos

Summary

Se ha diseñado un flujo de trabajo para crear modelos híbridos virtuales tridimensionales (3D) basados en conjuntos de datos de tomografía computarizada de haz cónico y escaneos ópticos intraorales utilizando métodos de segmentación de imágenes radiográficas y modelado de superficies de forma libre. Los modelos digitales se utilizan para la planificación virtual de procedimientos quirúrgicos dentoalveolares reconstructivos.

Abstract

En este artículo se presenta la adquisición de modelos tridimensionales (3D) virtuales e híbridos, utilizando la secuencia de segmentación de imágenes radiográficas, registro espacial y modelado de superficies de forma libre. En primer lugar, se reconstruyeron conjuntos de datos de tomografía computarizada de haz cónico con un método de segmentación semiautomático. El hueso alveolar y los dientes se separan en diferentes segmentos, lo que permite evaluar la morfología 3D y la localización de los defectos intraóseos periodontales. La gravedad, extensión y morfología de los defectos agudos y crónicos de la cresta alveolar se validan en relación con los dientes adyacentes. En modelos virtuales de tejidos complejos, las posiciones de los implantes dentales se pueden planificar en 3D. Utilizando el registro espacial de los datos IOS y CBCT y el posterior modelado de superficies de forma libre, se pueden adquirir modelos híbridos 3D realistas, visualizando el hueso alveolar, los dientes y los tejidos blandos. Con la superposición de tejido blando IOS y CBCT, se puede evaluar el grosor por encima de la cresta edéntula sobre las dimensiones óseas subyacentes; Por lo tanto, se puede determinar el diseño del colgajo y el manejo quirúrgico del colgajo, y se pueden evitar complicaciones ocasionales.

Introduction

Los avances tecnológicos en odontología han permitido la planificación de tratamientos asistidos por ordenador y la simulación de procedimientos quirúrgicos y rehabilitación protésica. Dos métodos esenciales para la adquisición de datos 3D en odontología digital son: (1) tomografía computarizada de haz cónico (CBCT)¹ y (2) escaneo óptico intraoral (IOS)². La información digital de todas las estructuras anatómicas relevantes (hueso alveolar, dientes, tejidos blandos) se puede adquirir utilizando estas herramientas para planificar procedimientos quirúrgicos dentoalveolares reconstructivos.

La tecnología de haz cónico fue introducida por primera vez en 1996 por un grupo de investigación italiano. Al proporcionar una dosis de radiación significativamente más baja y una resolución más alta (en comparación con la tomografía computarizada convencional), la CBCT se ha convertido rápidamente en la modalidad de imágenes 3D más utilizada en odontología y cirugía oral³. La CBCT se utiliza a menudo para planificar diferentes procedimientos quirúrgicos (p. ej., cirugía regenerativa periodontal, aumento de la cresta alveolar, colocación de implantes dentales, cirugía ortognática)¹. Los conjuntos de datos CBCT se visualizan y se pueden procesar en un software de imágenes radiográficas que proporciona imágenes en 2D y representaciones en 3D, sin embargo, la mayoría de los programas de imágenes utilizan algoritmos basados en umbrales para la reconstrucción de imágenes en 3D. Los métodos de umbral establecen los límites superior e inferior de un intervalo de valores de gris vóxel. Los vóxeles que se encuentren entre estos límites se renderizarán en 3D. Este método permite una rápida adquisición de modelos; sin embargo, dado que el algoritmo no puede diferenciar las estructuras anatómicas de los artefactos metálicos y la dispersión, los renders 3D son muy inexactos y tienen muy poco valor diagnóstico ^4,5. Por las razones mencionadas anteriormente, muchos campos dentro de la odontología todavía dependen de las radiografías 2D convencionales (radiografías intraorales, rayos X panorámicos) o de las imágenes 2D de los conjuntos de datos CBCT⁵. Nuestro grupo de investigación presentó un método semiautomático de segmentación de imágenes en un artículo publicado recientemente, utilizando un software de procesamiento de imágenes radiográficas de código abierto⁶ en el que se realiza una reconstrucción 3D anatómica de conjuntos de datos CBCT⁷. Con la ayuda de este método, se diferenciaron las estructuras anatómicas de los artefactos metálicos y, lo que es más importante, se pudieron separar el hueso alveolar y los dientes. Por lo tanto, se podría adquirir un modelo virtual realista de los tejidos duros. Se utilizaron modelos 3D para evaluar los defectos periodontales intraóseos y para la planificación del tratamiento antes de las cirugías periodontales regenerativas.

Los escáneres ópticos intraorales de superficie proporcionan información digital sobre las condiciones clínicas (corona clínica de los dientes y tejidos blandos). El propósito original de estos dispositivos era adquirir directamente modelos digitales de pacientes para la planificación y fabricación de prótesis dentales con tecnologías de diseño asistido por computadora (CAD) y fabricación asistida por computadora (CAM)⁸. Sin embargo, debido a la amplia gama de aplicaciones, su uso se implementó rápidamente en otros campos de la odontología. Los cirujanos maxilofaciales combinan IOS y CBCT en una configuración híbrida que se puede utilizar para la osteotomía virtual y la planificación digital de cirugías ortognáticas ^9,10. La implantología dental es probablemente el campo que utiliza la planificación digital y la ejecución guiada con mayor frecuencia. La cirugía navegada elimina la mayoría de las complicaciones relacionadas con la mala colocación del implante. La combinación de conjuntos de datos CBCT y archivos de estereolitografía (.stl) de IOS se utiliza de forma rutinaria para planificar la colocación guiada del implante y la fabricación de guías estáticas de fresado de implantes^11,12. Las exploraciones intraorales superpuestas sobre conjuntos de datos CBCT también se han utilizado para preparar el alargamiento estético de la corona¹³; sin embargo, los tejidos blandos se superpusieron solo sobre conjuntos de datos CBCT reconstruidos con algoritmos de umbral. Sin embargo, para realizar una planificación virtual 3D precisa de las intervenciones quirúrgicas regenerativas-reconstructivas y la colocación de implantes dentales, los modelos híbridos 3D realistas de los pacientes deben estar compuestos por datos CBCT e IOS.

Por lo tanto, este artículo tiene como objetivo presentar un método paso a paso para adquirir modelos digitales híbridos realistas para la planificación quirúrgica virtual antes de las intervenciones quirúrgicas dentoalveolares reconstructivas.

Protocol

Este estudio se llevó a cabo en total conformidad con la Declaración de Helsinki. Antes de la preparación del manuscrito, se proporcionó el consentimiento informado por escrito y fue firmado por el paciente. El paciente concedió permiso para el uso de datos para la demostración del protocolo. 1. Procesamiento de imágenes radiográficas Cargue archivos DICOM en el softwareDescargue la versión más reciente del software de imágenes médicas y ábralo.NOTA: Después…

Representative Results

Virtual permite generar modelos tridimensionales (3D) utilizando la segmentación de imágenes radiográficas, el registro espacial y el modelado de forma libre. Los modelos representan digitalmente la situación clínica, lo que hace posible la planificación tridimensional de diversas intervenciones quirúrgicas. Con la segmentación separada del hueso y los dientes, el límite entre las dos estructuras anatómicas es visible, se debe evaluar la morfología 3D y la localización de los defectos intraóseos periodontale…

Discussion

Con el protocolo presentado, las morfologías de los defectos periodontales y alveolares se pueden visualizar en tres dimensiones (3D), proporcionando una representación más precisa de la situación clínica que la que se puede lograr con métodos de diagnóstico 2D y modelos 3D generados con algoritmos de umbralización. El protocolo se puede dividir en tres fases principales: (1) segmentación semiautomática de conjuntos de datos CBCT, (2) registro espacial de CBCT e IOS, y (3) modelado de superficie de forma libre….

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.