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.
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Protocol
Diese Studie wurde in voller Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Vor der Erstellung des Manuskripts wurde eine schriftliche Einverständniserklärung abgegeben und vom Patienten unterschrieben. Der Patient erteilte die Erlaubnis zur Datennutzung für die Demonstration des Protokolls.
1. Röntgenbildverarbeitung
- Laden Sie DICOM-Dateien in die Software
- Laden Sie die neueste Version der medizinischen Bildgebungssoftware herunter und öffnen Sie sie.
HINWEIS: Nach dem Öffnen der Software wird der Startbildschirm angezeigt. - Klicken Sie in der Seitenleiste auf DICOM-Daten laden .
HINWEIS: Die DICOM-Datenbank wird angezeigt und zeigt die zuvor geladenen DICOM-Datensätze an.- Klicken Sie auf DICOM-Dateien in der DICOM-Datenbank importieren, wählen Sie das DICOM-Dataset im Zielordner aus und klicken Sie auf Importieren.
HINWEIS: Der neu hinzugefügte DICOM-Datensatz wird in der Liste der Studien angezeigt.
- Klicken Sie auf DICOM-Dateien in der DICOM-Datenbank importieren, wählen Sie das DICOM-Dataset im Zielordner aus und klicken Sie auf Importieren.
- Wählen Sie die Studie aus und klicken Sie am unteren Rand des Fensters auf Laden .
HINWEIS: Der DICOM-Datensatz wird geöffnet, und vier Ansichten (koronal, axial, sagittal und 3D) der geladenen Daten sind sichtbar. Die Knoten werden auf der linken Seite aufgelistet. Theoretisch kann die beschriebene Methode unabhängig von der Bildqualität (Voxelgröße, Artefakte) an jedem CT oder DVT durchgeführt werden. Der Segmentierungsprozess von DVT/CT-Scans mit höherer Qualität ist jedoch einfacher, und es können qualitativ hochwertigere 3D-Modelle erfasst werden. Es wurde ein DVT-Scan mit folgenden Parametern aufgenommen: Voxelgröße: 150 μm, Anodenspannung: 84 kV, Röhrenstrom: 40 mA, Sichtfeld: 8 x 5 cm. Der Prozess kann jederzeit gestoppt werden. Stellen Sie sicher, dass Sie die Szene speichern, bevor Sie sie beenden. Klicken Sie zum Speichern auf das Speichern-Symbol auf der linken Seite der Symbolleiste und speichern Sie es als "Krankenakten-Bundle" (.mrb), indem Sie auf das Kästchen-Symbol im Fenster "Szene speichern" klicken.
- Laden Sie die neueste Version der medizinischen Bildgebungssoftware herunter und öffnen Sie sie.
- Lautstärke-Rendering und Zuschneidevolumen
- Schneiden Sie den gewünschten Bereich (Ober- oder Unterkiefer) zu, um die Dateigröße und die Renderingzeit zu reduzieren. Klicken Sie auf die Modulleiste auf der linken Seite der Symbolleiste, um ein Scroll-Down-Fenster mit häufig verwendeten Modulen anzuzeigen.
- Wählen Sie das Modul Volume Rendering aus dem Dropdown-Fenster aus. Um das Volumen-Rendering sichtbar zu machen, klicken Sie auf das Augensymbol neben der Leiste "Volumes".
- Wählen Sie die gewünschte Voreinstellung aus, um das Lautstärke-Rendering anzuzeigen, und bewegen Sie den "Shift"-Schieberegler, bis die Hartteile deutlich zu sehen sind.
HINWEIS: Für DVT-Scans wird die Voreinstellung CT-Bone empfohlen. - Aktivieren Sie das Kontrollkästchen neben "Aktivieren" und klicken Sie im Abschnitt "Zuschneiden" auf das Augensymbol neben "ROI anzeigen", um die ROI (Region of Interest) sichtbar zu machen.
HINWEIS: Ein Drahtmodellrahmen um den Datensatz in allen 2D-Ansichten und der 3D-Ansicht wird angezeigt. Durch Ziehen an den Seiten der Box wird das Volumen auf den gewünschten Bereich zugeschnitten. - Greifen Sie auf das Modul "Crop Volume" zu, um den Zuschnitt abzuschließen. Wählen Sie das ursprüngliche Dataset als Eingabevolumen aus.
HINWEIS: Die Eingabe-ROI wird automatisch auf die zuvor erstellte ROI festgelegt. - Wählen Sie in der Dropdown-Leiste "Ausgabevolume" die Option "Neues Volume erstellen " aus, um ein neues Ausgabevolume zu erstellen. Deaktivieren Sie Interpoliertes Zuschneiden im Abschnitt "Erweiterte Einstellungen" und klicken Sie auf "Anwenden".
HINWEIS: Wenn Sie zum Modul "Daten" zurückkehren, wird das neu zugeschnittene Volume als neuer Knoten angezeigt.
- Segmentierung des DVT-Datensatzes
- Greifen Sie auf das Segment-Editor-Modul für die Segmentierung zu.
HINWEIS: Bei der Segmentierung werden 3D-Rekonstruktionen anatomischer Strukturen auf der Grundlage des DVT-Datensatzes erstellt, um eine leichter zugängliche Analyse zu ermöglichen. - Wählen Sie das zuvor erstellte zugeschnittene Volumen als Master-Volumen der aktiven Segmentierung aus. Klicken Sie auf + Hinzufügen , um Segmente hinzuzufügen, und auf -Entfernen , um Segmente zu entfernen. Benennen Sie sie entsprechend der anatomischen Struktur um, die sie darstellen sollen.
HINWEIS: Der Alveolarknochen und alle Zähne sind separate Segmente innerhalb der Segmentierung - Beginnen Sie mit der Segmentierung des Alveolarknochens. Wählen Sie in der Liste der Effekte die Option "Pegelverfolgung" aus, ein halbautomatisches Werkzeug, das den Bereich umreißt, in dem Pixel denselben Hintergrundwert wie das ausgewählte Pixel haben.
- Ziehen Sie die Maus auf den Umfang des Knochens in einer der 2D-Ansichten, damit eine gelbe Linie um den ausgewählten Bereich angezeigt wird, und drücken Sie die linke Maustaste , um das Segment auf dem ausgewählten Segment des Datensatzes zu erzeugen.
HINWEIS: Die Segmentierung kann in jeder der 2D-Ansichten durchgeführt werden. Sagittale und axiale Orientierungen funktionieren jedoch am besten. - Verwenden Sie die Handwerkzeuge "Malen " und "Löschen ", um das Segment zu ändern und Fehler zu korrigieren, wenn das Werkzeug "Ebenennachzeichnung" nicht den gesamten Abschnitt des Knochens umrissen hat oder wenn auch Artefakte auf dem Schnitt enthalten waren.
- Greifen Sie auf das Segment-Editor-Modul für die Segmentierung zu.
Abbildung 1: Anwendung des halbautomatischen Segmentierungswerkzeugs "Level Tracing" in sagittaler Orientierung. (A) Umrandung des Bereichs von Pixeln mit demselben Hintergrundwert mit einer gelben Linie. (B) Ergebnisse der "Niveauverfolgung" und der anschließenden manuellen Segmentierung. (C) Verfeinerung der halbautomatischen Segmentierung mit Hilfe manueller Werkzeuge (Malen, Löschen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
HINWEIS: Verwenden Sie Zifferntasten, um schnell zwischen Werkzeugen zu wechseln.
- Schließen Sie sowohl Zähne als auch Implantate aus dem Knochensegment aus. Umreißen Sie Zähne und Implantate mit dem Radieren-Werkzeug und löschen Sie alle markierten Pixel, die sie darstellen.
- Wiederholen Sie den gleichen Vorgang für jede 5. Schicht des Datensatzes in der ausgewählten Ausrichtung.
HINWEIS: Klicken Sie auf 3D anzeigen , um die Segmentierung in drei Dimensionen anzuzeigen. Stellen Sie den Schieberegler für den Glättungsfaktor auf 0,00 ein. - Berechnen Sie die fehlenden Segmente nach Abschluss dieser Phase, indem Sie in der Liste "Effekte" die Option "Zwischen Slices füllen " auswählen.
HINWEIS: Dieses Werkzeug berechnet die fehlenden Segmente auf der Grundlage der zuvor mit einem morphologischen Konturinterpolationsalgorithmus erstellten Segmente. - Klicken Sie auf Initialisieren , um die Konturinterpolation zu aktivieren, und klicken Sie bei zufriedenstellenden Ergebnissen auf Anwenden. Scrollen Sie nach Abschluss durch das Dataset, um gelegentliche Fehler zu überprüfen und zu korrigieren.
Abbildung 2: Morphologische Konturinterpolation mit "Fill Between Slices", hellgrüne Bereiche, die den automatisch rekonstruierten Teil des Segments anzeigen. (A) Axiale Ansicht. (B) Sagittale Ansicht. (C) Koronale Ansicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass nur das Segment sichtbar ist, auf das die Interpolation angewendet wird. Die Sichtbarkeit der Segmente kann in der Segmentliste umgeschaltet werden.
- Glätten Sie die Segmentgrenzen, indem Sie Überstände mit dem Effekt "Glätten" entfernen. Wählen Sie Median als Glättungsmethode und stellen Sie die "Kernelgröße" auf 5 x 5 x 5 Pixel ein, indem Sie den mm-Wert in der Klammer anpassen und auf Übernehmen klicken.
- Wiederholen Sie die gleichen Schritte für die Segmentierung der Zähne, sobald die Segmentierung des Alveolarknochens abgeschlossen ist.
Abbildung 3: Abgeschlossene Segmentierung, wobei das braune Segment den Knochen und das blaue Segment die Zähne darstellt. (A) Axiale Ansicht. (B) Sagittale Ansicht. (C) Koronale Ansicht. (D) Das 3D-Modell wird automatisch aus den zuvor erstellten Segmenten generiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
- Stellen Sie den Balken "Andere Segmente ändern" auf Überlappung vor der Zahnsegmentierung zulassen, damit die neu erstellten Segmente die zuvor erstellten Segmente nicht überschreiben.
- Räumliche Registrierung von DVT-Datensatz und IOS
HINWEIS: Die räumliche Registrierung ist erforderlich, da die Koordinatensysteme für den DVT-Datensatz und das IOS unterschiedlich sind.- Wählen Sie in der Menüleiste "Ansicht" die Option "Extension Manager " und klicken Sie auf "Erweiterungen installieren". Geben Sie IGT in die Suchleiste in der rechten Ecke ein, installieren Sie die SlicerIGT-Erweiterung und starten Sie das Programm neu.
- Laden Sie die zuvor gespeicherte MRB-Datei der Szene, indem Sie auf das Symbol Daten klicken und dann die hinzuzufügende(n) Datei(en) auswählen.
- Importieren Sie die .stl-Datei von IOS, indem Sie auf das Datensymbol in der oberen linken Ecke klicken. Klicken Sie im Popup-Fenster "Daten zur Szene hinzufügen" auf "Hinzuzufügende(n) Datei(en) auswählen", wechseln Sie zum Zielordner, wählen Sie die .stl-Datei des IOS aus und klicken Sie auf "Öffnen".
- Fügen Sie die .stl-Datei des intraoralen Scans als Segmentierung hinzu, indem Sie in der Dropdown-Leiste Segmentierung auswählen.
HINWEIS: Das installierte "IGT"-Modul wird nun im Dropdown-Menü "Module" angezeigt. - Bewegen Sie den Mauszeiger über das Modul und wählen Sie in der angezeigten Seitenleiste Fiducial Registration Wizard aus.
- Wählen Sie in der Dropdown-Leiste in den Abschnitten "Von Rahmenmarken" und "In Rahmenmarken" die Option "Neue Markups erstellen " aus.
HINWEIS: Die Software benennt die beiden Listen automatisch "Von" und "Bis". Die "Von"-Liste stellt das bewegliche Volume dar, das in diesem Fall das IOS ist. Die "Bis"-Liste stellt das feste Volumen dar, bei dem es sich um den DVT-Datensatz handelt. - Platzieren Sie Markierungspunkte auf klar definierten anatomischen Landmarken auf dem IOS, indem Sie das Symbol "Markierungspunkt platzieren" neben der Dropdown-Leiste im Abschnitt "Von" verwenden. Die Markierungspunkte werden in der Reihenfolge ihrer Platzierung nummeriert.
HINWEIS: Platzieren Sie mindestens 6 Punkte an den Höckern und Schneidekanten der Zähne. - Platzieren Sie Markierungen an der gleichen Position, um die "Bis"-Liste zu erstellen, und in der gleichen Reihenfolge auf dem DVT-Datensatz. Markierungspunkte mit derselben Nummer müssen dieselbe anatomische Landmarke darstellen.
- Erstellen Sie eine Transformation, indem Sie im Dropdown-Menü im Abschnitt "Transformation des Registrierungsergebnisses" in der Seitenleiste die Option "Neue LinearTransformation erstellen " auswählen, nachdem die beiden Listen fertig sind.
- Rufen Sie das Modul "Transformationen" auf und wählen Sie die zuvor erstellte Transformation als aktive Transformation aus. Verschieben Sie im Abschnitt "Transformation anwenden" die IOS-Segmentierung und die Markupliste "Von" aus dem Feld "Transformierbar" in das Feld "Transformiert", um das IOS über den DVT-Datensatz zu legen.
Abbildung 4: Räumliche Registrierung von IOS durch Platzieren von Passermarken auf genau definierten anatomischen Landmarken. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Hinweis: Bei Bedarf kann die Genauigkeit der Transformation verbessert werden, indem die Markierungspunkte verschoben oder zusätzliche Punkte hinzugefügt werden.
2. Exportieren von Modellen als .stl-Dateien für die Freiform-Oberflächenmodellierung
- Exportieren Sie die abgeglichenen Hart- und Weichgewebemodelle für die weitere Oberflächenmodellierung nach der Segmentierung und räumlichen Registrierung.
- Gehen Sie zum Modul Segmentierungen und wählen Sie die Segmentierung mit den alveolären Knochen- und Zahnmodellen als aktive Segmentierung aus. Scrollen Sie nach unten zum Abschnitt "In Dateien exportieren", wählen Sie den Zielordner aus und wählen Sie STL als Dateiformat aus.
- Deaktivieren Sie das Kontrollkästchen In einzelne Datei zusammenführen , legen Sie das Koordinatensystem auf RAS fest, und klicken Sie auf Exportieren.
- Wiederholen Sie den gleichen Vorgang für das IOS, das als separate Segmentierung sichtbar ist, speichern Sie die Szene und schließen Sie die Bildverarbeitungssoftware.
3. Freiform-Flächenmodellierung
- Oberflächenglättung
- Öffnen Sie die CAD-Software, und klicken Sie auf dem Startbildschirm auf Importieren. Wählen Sie die .stl-Modelle aus, die zuvor aus der DICOM-Bildverarbeitungssoftware exportiert wurden.
HINWEIS: Auch wenn zuvor eine Glättung durchgeführt wurde, erscheint die Oberfläche der aus dem DVT-Datensatz rekonstruierten Modelle immer noch verpixelt, sodass eine weitere Oberflächenglättung erforderlich ist. - Wechseln Sie in der Menüleiste zu "Formen " und wählen Sie im Pinselinventar die Option "Adaptives Reduzieren" aus.
HINWEIS: Die Größe und Stärke des Pinsels muss je nach Grad der Glättung angepasst werden.
- Öffnen Sie die CAD-Software, und klicken Sie auf dem Startbildschirm auf Importieren. Wählen Sie die .stl-Modelle aus, die zuvor aus der DICOM-Bildverarbeitungssoftware exportiert wurden.
- Trennen Sie die Zahnkrone vom IOS
HINWEIS: Zahnkronen werden auf dem IOS genauer dargestellt als auf segmentierten Modellen. daher müssen Kronen der segmentierten Zahnmodelle durch Kronen aus dem IOS ersetzt werden.- Klicken Sie in der Seitenleiste auf "Auswählen " und wählen Sie "Pinsel " als Auswahlwerkzeug aus. Verwenden Sie den Pinselmodus "Pinsel auspacken " und passen Sie die Größe des Pinsels an. Wählen Sie mit der Bürste die Krone jedes Zahnes bis zum marginalen Zahnfleisch auf dem IOS aus.
HINWEIS: Ausgewählte Oberflächen sind mit einer orangefarbenen Farbe gekennzeichnet. - Bewegen Sie den Cursor in der Seitenleiste auf "Ändern " und wählen Sie "Begrenzung glätten". Klicken Sie auf Übernehmen , wenn die Ergebnisse zufriedenstellend sind.
HINWEIS: Nun folgt die Begrenzung der Selektion genau der marginalen Gingiva. - Gehen Sie in der Seitenleiste "Auswählen" auf "Bearbeiten" und klicken Sie auf "Trennen", um ein einzelnes Objekt aus dem ausgewählten Bereich zu erstellen.
- Wiederholen Sie den gleichen Vorgang für alle Zähne.
- Gehen Sie in der Menüleiste zu Analyse und wählen Sie Prüfen.
HINWEIS: Das Programm zeigt Fehler in den Modellen an. Löcher sind blau markiert. - Wählen Sie Flachfüllung als "Lochfüllmodus" und klicken Sie auf Alle automatisch reparieren , um geschlossene Modelle aus dem IOS-Modell und den Modellen mit getrennten Zähnen zu erstellen. Gehen Sie zu Modellieren und glätten Sie die Kanten des gefüllten Lochs mit dem Schrumpfungspinsel .
- Wiederholen Sie den Vorgang für alle Zahnkronen und den Rest des IOS.
- Klicken Sie in der Seitenleiste auf "Auswählen " und wählen Sie "Pinsel " als Auswahlwerkzeug aus. Verwenden Sie den Pinselmodus "Pinsel auspacken " und passen Sie die Größe des Pinsels an. Wählen Sie mit der Bürste die Krone jedes Zahnes bis zum marginalen Zahnfleisch auf dem IOS aus.
- Verschmelzen Sie die Zahnkronen mit den segmentierten Zahnmodellen.
HINWEIS: Wenn die räumliche Registrierung korrekt durchgeführt wurde, sollten die Positionen der Zahnkronen auf dem IOS und die Kronen der segmentierten Zähne übereinstimmen.- Verwenden Sie die Shrinksmooth-Bürste auf dem segmentierten Zahnmodell, bis sie vollständig von den vom IOS getrennten Zahnkronen bedeckt sind.
HINWEIS: Aufgrund von Unvollkommenheiten sowohl in der Segmentierung als auch im IOS überlappen sich die Kronen nicht immer vollständig. - Wählen Sie sowohl die getrennte Krone als auch das segmentierte Modell desselben Zahns im Objektkatalog aus. Wählen Sie in der angezeigten Seitenleiste die Option Boolesche Vereinigung aus und klicken Sie auf Akzeptieren.
HINWEIS: Jetzt wird die Krone des segmentierten Zahnmodells durch die Krone ersetzt, die vom IOS getrennt ist. - Verwenden Sie Shrinksmooth, um den Übergang zu glätten.
- Verwenden Sie die Shrinksmooth-Bürste auf dem segmentierten Zahnmodell, bis sie vollständig von den vom IOS getrennten Zahnkronen bedeckt sind.
- Subtraktionen und Modellzusammensetzung
- Subtrahieren Sie das Knochenmodell vom Weichteilmodell, um die klinische Situation realistisch darzustellen.
HINWEIS: Das ursprüngliche IOS ohne Zähne wurde zum Modell der Weichteile. - Wählen Sie im Objektkatalog sowohl Knochen- als auch Weichteilmodelle aus, und wählen Sie Boolesche Differenz aus.
- Glätten Sie Übergänge mit dem Schrumpfungspinsel und entfernen Sie Überstände von der Unterseite des Weichteilmodells.
- Subtrahieren Sie die Zähne aus dem Weichteilmodell, indem Sie den gleichen Prozess und die sanften Übergänge verwenden.
- Subtrahieren Sie das Knochenmodell vom Weichteilmodell, um die klinische Situation realistisch darzustellen.
- Farbmodelle
- Färben Sie die Oberflächen der Modelle ein, um ein realistischeres Aussehen zu erzielen, da das Modell jetzt vollständig ist und die Zähne, Weichteile und Alveolarknochen voneinander getrennt sind, um die klinische Situation in 3D darzustellen.
- Wählen Sie in der Seitenleiste "Formen " und schalten Sie den kleinen Schieberegler von "Lautstärke " auf "Oberfläche".
- Wählen Sie PaintVertex aus dem Pinselinventar aus und wählen Sie die gewünschte Farbe mit dem Farbrad im Abschnitt "Farbe " der Seitenleiste aus. Färben Sie die Oberfläche jedes Modells (z. B. Knochen: braun, Weichteil: rosa, Zähne: weiß)
Animierte Abbildung 1: Animation des finalen, farbigen Modells, bereit für die virtuelle OP-Planung. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen.
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Representative Results
Virtuelle dreidimensionale (3D) Modelle können durch Segmentierung von Röntgenbildern, räumliche Registrierung und Freiformmodellierung erstellt werden. Die Modelle bilden die klinische Situation digital ab und ermöglichen so eine dreidimensionale Planung verschiedener chirurgischer Eingriffe. Bei getrennter Segmentierung von Knochen und Zähnen wird die Grenze zwischen den beiden anatomischen Strukturen sichtbar, die 3D-Morphologie und Lokalisation parodontaler intraossärer Defekte sind zu beurteilen. Schweregrad, Ausmaß und Morphologie von akuten und chronischen Alveolarkammdefekten können an Nachbarzähnen beurteilt werden. Verschiedene halbautomatische Segmentierungswerkzeuge (Abbildung 1) (Abbildung 2) (z. B. Kantenerkennungswerkzeuge, morphologische Konturinterpolationsalgorithmen), die in den Beständen medizinischer Bildverarbeitungssoftware zu finden sind, verkürzen die Dauer der Segmentierung (Abbildung 3). Aufgrund von Ähnlichkeiten in den Voxel-Intensitätswerten von Zähnen und Alveolarknochen muss die Trennung der beiden jedoch von Hand erfolgen, was zeitaufwändig sein kann. Der Segmentierungsprozess wird auch durch Artefakte behindert, die auf DVT-Scans vorhanden sind.
Die Überlagerung von IOS und anschließender CAD-Modellierung ermöglicht es, die klinische Situation dreidimensional zu betrachten. Die Zähne werden auf dem Modell des IOS von den Weichteilen getrennt (Abbildung 4). 3D-Modelle von Zähnen werden aus DVT- und IOS-Daten kombiniert, da Zahnkronen auf dem IOS die klinische Situation genauer darstellen, während Artefakte und Streuung auf dem DVT-Scan beeinträchtigt werden. 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 (Animierte Abbildung 1).
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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. Technisch gesehen kann die Segmentierung auf jedem dreidimensionalen Röntgenbild durchgeführt werden. Es ist jedoch schwieriger, Datensätze von geringer Qualität zu rekonstruieren. Daher werden eine kleinere Voxelgröße (~ 120 μm), ein kleinerer Röhrenstrom (12 mA) und eine kleinere Anodenspannung (80 kV) empfohlen14. Aufgrund einer großen Menge an Streuung, die an der Okklusionsebene erzeugt wird, sollte der interokklusale Raum während der DVT-Bildgebung erhalten bleiben.
Bestimmte Schritte des halbautomatischen Segmentierungsprozesses sind automatisiert, aber einige Aktionen erfordern immer noch eine manuelle Segmentierung, was die Dauer des Prozesses verlängert. Um den Zeitrahmen der Segmentierung zu verkürzen, wurden auf künstlicher Intelligenz (KI) basierende neuronale Faltungsnetze für eine schnelle, automatische Segmentierung von Zähnen und Knochen entwickelt15,16. Beim maschinellen Lernen werden Convolution Neural Netze für die Bildanalyse mit Repräsentationslernen auf einer Beispieldatenbank entwickelt, in der Merkmale auf den Bildern ähnlich sein müssen. Aufgrund der morphologischen Vielfalt parodontaler und alveolärer Defekte, der Unterschiede in der Röntgendichte und der fehlenden Kortikalisierung in pathologischen Bereichen können die Ergebnisse der KI-basierten Segmentierung jedoch beeinträchtigt werden. Algorithmen des maschinellen Lernens arbeiten zuverlässig unter physiologischen Gewebebedingungen.
Die räumliche Registrierung von IOS-über-DVT-Daten wurde verwendet, um Kiefer- und Gesichtsoperationen 9,10, Implantationen11,12 und Parodontaloperationen 7,13 zu planen, obwohl keine Freiformmodellierung angewendet wurde. Mit einer Reihe von Booleschen Operationen können realistische Hybridmodelle erfasst und chirurgische Eingriffe virtuell simuliert werden. Digitale Renderings können auch mit 3D-Drucktechnologien hergestellt werden, um Studienmodelle vor der Operation zu erstellen.
Der Vorteil der vorliegenden Methode besteht darin, dass der gesamte Prozess mit freier Open-Source-Software durchgeführt werden kann. Es hat jedoch eine Lernkurve, und die Benutzer müssen sich mit der Röntgenbildverarbeitung und der Freiform-CAD-Modellierung vertraut machen. Der größte Nachteil der Methode ist die relativ lange Dauer und die Wiederholung des Prozesses. Daher sind Verbesserungen erforderlich, um bestimmte Schritte im Arbeitsablauf zu automatisieren und zu vereinfachen, um den Zeitrahmen zu verkürzen.
Dreidimensionales Design und CAD-Modellierung wurden bei der Planung verschiedener rekonstruktiver chirurgischer Eingriffe eingesetzt. In der Parodontaldiagnostik wurden 3D-Modelle, die mit DVT-Bildrekonstruktion erstellt wurden, für die präoperative Beurteilung intraossärer Defektmorphologien und die chirurgische Behandlungsplanung verwendet7. Für die Onlay-Transplantation wurden allogene CAD/CAM-Knochenblöcke verwendet17. Individuell gefertigte Titannetze18 wurden als Barrieremembranen bei der gesteuerten Knochenregeneration eingesetzt; Weichteilmodelle wurden jedoch nicht in den Planungsprozess einbezogen. Die geführte Implantation wird in der täglichen zahnärztlichen Praxis routinemäßig mit hoher Zuverlässigkeit durchgeführt19.
Nichtsdestotrotz verwendet die Mehrheit der Implantatführungssoftware Schwellwertalgorithmen für die 3D-Rekonstruktion komplexer Gewebe. Auch wenn die Planung auf 3D-Renderings theoretisch möglich ist, werden Implantatpositionen aufgrund der geringen Qualität der Knochenmodelle hauptsächlich auf den axialen, sagittalen und koronalen 2D-Ansichten des DVT-Datensatzes geplant. Um eine weitere Ebene der Realität hinzuzufügen, könnte in Zukunft ein digitaler Gesichtsscan hinzugefügt werden, der mit kostenlosen mobilen Anwendungen aufgenommen wurde.
Mit der Abfolge von Röntgenbildsegmentierung, räumlicher Registrierung und Freiform-Oberflächenmodellierung können realistische patientenspezifische virtuelle Modelle zur Planung rekonstruktiver chirurgischer Eingriffe gewonnen werden. Mit der virtuellen 3D-Darstellung von Knochen, Zähnen und Weichteilen kann jeder Schritt des chirurgischen Eingriffs (d.h. Inzision, Lappenpräparation, Regenerationsstrategie, Lappenverschluss) virtuell vorkonstruiert und simuliert werden.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Acknowledgments
Nichts
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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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