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方法文章

数字化混合模型制备用于牙槽重建手术的虚拟规划

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DOI：

10.3791/62743

⸱

2021年8月5日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Periodontology, Semmelweis University, 2Empresa de Base Tecnológica Internacional de Canarias, S.L. (EBATINCA)

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

基于锥形束计算机断层扫描数据集和口内光学扫描，结合放射影像分割方法与自由曲面建模，设计了一种创建三维（3D）虚拟混合模型的工作流程。数字模型用于牙槽骨重建外科手术的虚拟规划。

摘要

本文介绍了一种虚拟的、混合式三维（3D）模型获取方法，该方法依次采用放射影像分割、空间配准和自由曲面建模技术。首先，采用半自动分割方法重建锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据集。牙槽骨与牙齿被分离为不同的区域，从而可评估牙周骨内缺损的三维形态及其位置。根据邻近牙齿的情况，对急性和慢性牙槽嵴缺损的严重程度、范围和形态进行验证。在虚拟的复合组织模型上，可进行牙种植体位置的三维规划。通过口内扫描（IOS）与CBCT数据的空间配准，继而进行自由曲面建模，可获得逼真的三维混合模型，以可视化牙槽骨、牙齿及软组织。通过叠加IOS与CBCT的软组织信息，可评估无牙区牙槽嵴上方的软组织厚度与其下方骨组织尺寸的关系，从而确定瓣膜设计及手术翻瓣管理方案，避免可能发生的并发症。

引言

牙科技术的进步使得计算机辅助治疗计划以及手术和修复治疗的模拟成为可能。数字化牙科中三维数据采集的两种基本方法是：（1）锥形束计算机断层扫描（CBCT）1 和（2）口内光学扫描（IOS）2。利用这些工具可获取所有相关解剖结构（牙槽骨、牙齿、软组织）的数字化信息，用于规划牙槽骨重建外科手术。

锥形束技术最早由一个意大利研究团队于1996年提出。相较于传统计算机断层扫描，锥形束CT（CBCT）具有显著更低的辐射剂量和更高的分辨率，已迅速成为牙科和口腔外科中最常用的三维成像方式3CBCT 常用于规划不同的外科手术（例如，牙周再生手术、牙槽嵴增高术、牙种植体植入、正颌手术）1CBCT 数据集可在放射影像软件中查看并进行处理，以生成二维图像和三维重建图像。然而，大多数影像软件采用基于阈值的算法进行三维图像重建。阈值法设定体素灰度值区间的上下限，落在该区间内的体素将被用于三维重建。该方法可实现快速建模；但由于算法无法区分解剖结构与金属伪影及散射干扰，所生成的三维图像准确性极低，诊断价值十分有限4,5由于上述原因，牙科领域的许多方面仍然依赖传统的二维放射影像（口内片、全景X线片）或锥形束CT（CBCT）数据集的二维图像5我们研究团队在最近发表的一篇文章中提出了一种半自动图像分割方法，该方法采用开源的放射影像处理软件。6 基于解剖结构的CBCT数据集三维重建7借助该方法，可将解剖结构与金属伪影区分开来，更重要的是，能够分离牙槽骨与牙齿，从而获得逼真的硬组织虚拟模型。三维模型可用于评估骨内牙周缺损，并在再生性牙周手术前制定治疗计划。

口内光学表面扫描仪可提供临床状况的数字化信息（牙齿的临床牙冠及软组织）。这些设备最初的设计目的是通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术，直接获取患者的数字模型，用于牙科修复体的规划与制作8。然而，由于其应用范围广泛，该技术很快被引入牙科的其他领域。颌面外科医生将口内扫描（IOS）与锥形束CT（CBCT）结合，构建混合系统，用于虚拟截骨及正颌手术的数字化规划9,10。牙种植学可能是目前最普遍采用数字化规划与引导操作的领域。导航手术可消除大多数与种植体位置偏差相关的并发症。CBCT数据集与口内扫描生成的立体光刻文件（.stl）的结合，已被常规用于规划引导式种植体植入及静态种植钻孔导板的制作11,12。叠加于CBCT数据集之上的口内扫描还曾用于美学冠延长术的术前准备13；但此前软组织仅被叠加至通过阈值算法重建的CBCT数据集上。然而，为了实现再生性-重建性外科干预及牙种植体植入的精确三维虚拟规划，必须构建由CBCT与IOS数据共同组成的逼真三维混合模型。

因此，本文旨在介绍一种逐步获取逼真混合数字模型的方法，用于在修复性牙槽外科手术干预前进行虚拟手术规划。

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方案

本研究完全遵循《赫尔辛基宣言》的规定进行。在撰写论文之前，患者已提供并签署书面知情同意书。患者同意将其数据用于本操作方案的演示。

1. X射线影像处理

  1. 将DICOM文件加载到软件中
    1. 下载最新版本的医学影像软件并打开。
      注意：打开软件后，将出现主屏幕。
    2. 在侧边栏点击加载DICOM数据。
      注意：DICOM数据库将弹出，显示先前已加载的DICOM数据集。
      1. 在DICOM数据库中点击导入DICOM文件，选择目标文件夹中的DICOM数据集，然后点击导入。
        注意：新添加的DICOM数据集将出现在研究列表中。
    3. 选择相应的研究项目，然后点击窗口底部的加载。
      注意：DICOM数据集将被打开，加载数据的四个视图（冠状面、轴向面、矢状面和3D视图）将可见。节点列在左侧。理论上，无论图像质量（体素大小、伪影）如何，所述方法均可应用于任何CT或CBCT。然而，高质量CBCT/CT扫描的分割过程更为直接，且可获得更高品质的3D模型。示例CBCT扫描的参数如下：体素大小：150 µm，阳极电压：84 kV，管电流：40 mA，视野：8 x 5 cm。该过程可在任意阶段暂停；退出前请确保保存场景。保存时，点击工具栏左侧的保存图标，在“保存场景”窗口中点击方框图标，将其保存为“医疗记录包”(.mrb)文件。
  2. 体绘制与体积裁剪
    1. 裁剪感兴趣区域（上颌或下颌），以减小文件大小和渲染时间。点击工具栏左侧可见的模块栏，查看下拉窗口中列出的常用模块。
    2. 从下拉窗口中选择体绘制模块。要使体绘制可见，请点击“体积”栏旁边的眼睛图标。
    3. 选择合适的预设以查看体绘制效果，并移动“Shift”滑块，直到硬组织清晰可见。
      注意：对于CBCT扫描，建议使用CT-骨预设。
    4. 勾选“启用”旁边的复选框，并在“裁剪”部分点击“显示ROI”旁边的眼睛图标，使ROI（感兴趣区域）可见。
      注意：在所有2D视图和3D视图中，数据集周围将出现一个线框框。通过拖动框的边，可将体积裁剪至所需区域。
    5. 进入“裁剪体积”模块以完成裁剪操作。选择原始数据集作为输入体积。
      注意：输入ROI将自动设置为先前创建的ROI。
    6. 在“输出体积”下拉栏中选择创建新体积以生成新的输出体积。在高级设置部分取消勾选插值裁剪，然后点击应用。
      注意：返回“数据”模块后，新裁剪的体积将作为一个新节点出现。
  3. CBCT数据集的分割
    1. 进入分割编辑器模块进行分割操作。
      注意：分割是指基于CBCT数据集生成解剖结构的3D重建，以便进行更便捷的分析。
    2. 选择先前创建的裁剪体积作为当前分割的主体积。点击+添加以增加分割区域，点击-移除以删除。根据其将代表的解剖结构对各区域重命名。
      注意：牙槽骨和所有牙齿将在分割中作为独立的区域存在。
    3. 首先开始对牙槽骨进行分割。从效果列表中选择阈值追踪，这是一种半自动工具，可勾勒出与所选像素具有相同背景值的区域。
    4. 在其中一个2D视图中将鼠标拖动至骨边缘，使所选区域周围出现黄线，然后按下鼠标左键，在数据集的选定切片上生成分割区域。
      注意：分割可在任意2D视图中进行；但矢状面和轴向面效果最佳。
    5. 使用绘制和擦除手绘工具修改分割区域，若“阈值追踪”工具未能完整勾勒骨组织区域，或切片上的伪影也被包含在内时，可进行修正。

显示解剖分析、轮廓映射和分三个阶段测量的牙科扫描图像；示意图。
图1：在矢状位方向应用“水平追踪”半自动分割工具。（A） 使用黄色线条勾勒出具有相同背景值的像素区域。（B） “水平追踪”结果及后续的手动分割。（C） 借助手动工具（绘制、擦除）对半自动分割结果进行优化。请点击此处查看该图的放大版本。

注意：使用数字键可快速切换工具。

  1. 排除骨段中的牙齿和种植体。使用以下方法勾画牙齿和种植体轮廓： 清除 工具并删除代表它们的所有高亮像素。
  2. 在每一个5上重复相同的过程th 所选方向上的数据集切片。
    注意：单击 显示3D 以三维形式查看分割结果。将平滑因子滑块设置为 0.00。
  3. 此阶段完成后计算缺失的片段 切片间填充 从效应列表中。
    注意：该工具基于先前通过形态轮廓插值算法生成的片段，计算缺失的部分。
  4. 点击 初始化 激活轮廓插值，如果结果满意，则点击 应用完成数据集浏览后，逐项检查并修正偶发的错误。

显示颌骨结构和牙齿排列的牙科CT扫描图像；横截面分析。
图2：通过“Fill Between Slices”进行形态轮廓插值，浅绿色区域表示自动重建的片段部分。 (A) 轴向视图。 (B) 矢状视图。 (C) 冠状视图。 请点击此处查看该图的放大版本。

注意：确保仅显示应用插值的片段。可在片段列表中切换各片段的可见性。

  1. 使用平滑效果通过去除凸起使分割边界更平滑。选择中值作为平滑方法，并通过调整括号中的 mm 值将“核大小”设置为5 x 5 x 5像素，然后点击应用。
  2. 完成牙槽骨的分割后，对牙齿的分割重复相同的步骤。

牙齿结构建模；三维重建图；骨组织分割；解剖学分析。
图3：完成分割后的结果，其中棕色部分代表骨组织，蓝色部分代表牙齿。(A) 轴向视图。(B) 矢状视图。(C) 冠状视图。(D) 三维模型由先前创建的分割结果自动生成。请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 在牙齿分割之前，将“修改其他区域”选项设置为允许重叠，以确保新创建的区域不会覆盖先前已创建的区域。
  1. CBCT数据集与口内扫描的配准
    注意：由于CBCT数据集与IOS的坐标系不同，因此需要进行空间配准。
    1. 选择 扩展管理器 从“视图”菜单栏中单击 安装扩展程序类型 IGT 在右上角的搜索栏中输入，安装该 SlicerIGT 延伸并重新启动程序。
    2. 通过单击加载先前保存的场景.mrb文件 数据 图标和 选择要添加的文件.
    3. 通过单击导入 IOS 的 .stl 文件 数据 左上角的图标。在“将数据添加到场景”弹出窗口中，单击 选择要添加的文件，转到目标文件夹，选择 IOS 的 .stl 文件，然后单击 开放.
    4. 选择将口内扫描的 .stl 文件作为分割添加 分割 从下拉栏中。
      注意：“模块”下拉菜单中现在将显示已安装的“IGT”模块。
    5. 将光标移至模块上，在出现的侧边栏中选择 基准标记配准向导.
    6. 选择 创建新的标记点 fiducial 在“从标记点”和“到标记点”两个部分的下拉栏中。
      注意：软件将自动将两个列表命名为“From”和“To”。“From”列表表示移动的容积，本例中为 IOS；“To”列表表示固定的容积，即 CBCT 数据集。
    7. 在“来源”部分下拉栏旁边的“放置标记点”图标，用于在IOS上明确定义的解剖标志处放置标记点。标记点将按照放置顺序依次编号。
      注意：在牙齿的牙尖和切缘处至少放置6个点。
    8. 将标记放置在相同位置以创建“目标”列表，并在CBCT数据集上按相同顺序放置。编号相同的标记点必须代表相同的解剖标志。
    9. 通过选择创建一个转化 创建新的线性变换 从侧边栏“注册结果转换”部分的下拉菜单中选择，当前两个列表已准备就绪。
    10. 访问“变换”模块，并选择先前创建的变换作为 活性转化在“应用变换”部分，将IOS分割和“来源”标记列表从“可变换”框移至“已变换”框，以将IOS叠加到CBCT数据集上。

显示研究牙齿形态的三维牙弓扫描；牙科分析示意图。
图 4：通过在明确定义的解剖标志点上放置基准标记，实现口内扫描数据的空间配准。 请点击此处查看此图的放大版本。

注意：如有必要，可通过移动标记点或添加额外标记点来提高配准的准确性。

2. 将模型导出为 .stl 文件以进行自由曲面建模

  1. 分割和空间配准后，导出匹配的硬组织和软组织模型，以进行进一步的表面建模。
  2. 前往 分割 模块并选择包含牙槽骨和牙齿模型的分割作为活动分割。向下滚动至“导出到文件”部分，选择目标文件夹，然后选择 STL 作为文件格式。
  3. 取消选中 合并为单个文件 盒，将坐标系设置为 RAS，然后单击 导出.
  4. 对可见的独立分割 IOS 重复相同步骤，保存场景，然后关闭成像软件。

3. 自由曲面建模

  1. 表面平滑
    1. 打开 CAD 软件，在主界面中点击 导入。选择此前从 DICOM 图像处理软件导出的 .stl 模型。
      注意：尽管此前已进行过平滑处理，但从 CBCT 数据集重建的模型表面仍可能呈现像素化，因此需进一步进行表面平滑。
    2. 进入菜单栏中的 雕刻 选项，从笔刷列表中选择 自适应简化。
      注意：笔刷大小和强度需根据平滑程度进行调整。
  2. 从口内扫描（IOS）中分离牙冠
    注意：牙齿牙冠在口内扫描（IOS）中的显示比在分割模型中更准确；因此，分割牙齿模型的牙冠需替换为来自 IOS 的牙冠。
    1. 在侧边栏中点击 选择，并选择 笔刷 作为选择工具。使用 展开笔刷 模式，并调整笔刷大小。使用该笔刷选择每颗牙齿的牙冠，直至达到 IOS 上的边缘龈缘。
      注意：被选中的表面将以橙色标示。
    2. 将光标移至侧边栏中的 修改，并选择 平滑边界。若结果满意，则点击 应用。
      注意：此时，选区边界将精确贴合边缘龈缘。
    3. 进入侧边栏中的 编辑 下的 选择，点击 分离，以将所选区域创建为独立对象。
    4. 对所有牙齿重复上述过程。
    5. 进入菜单栏中的 分析，并选择 检查。
      注意：程序将标示模型中的错误。孔洞将以蓝色标记。
    6. 选择“孔洞填充模式”为 平面填充，并点击 自动修复全部，以从 IOS 模型和已分离的牙齿模型生成封闭模型。进入 雕刻 模式，使用 收缩平滑 笔刷对填充孔洞的边缘进行平滑处理。
    7. 对所有牙冠及 IOS 其余部分重复该过程。
  3. 将牙冠与分割的牙齿模型合并
    注意：若空间配准正确，则 IOS 上的牙冠位置应与分割牙齿模型的牙冠位置一致。
    1. 在分割的牙齿模型上使用 收缩平滑 笔刷，直至其完全被从 IOS 分离出的牙冠覆盖。
      注意：由于分割和 IOS 本身可能存在不完美，牙冠并不总是能完全重叠。
    2. 在 对象浏览器 中同时选择同一颗牙齿的分离牙冠和分割模型。在出现的侧边栏中选择 布尔并集，然后点击 确认。
      注意：此时，分割牙齿模型的牙冠已被从 IOS 分离出的牙冠所替换。
    3. 使用 收缩平滑 笔刷对过渡区域进行平滑处理。
  4. 减法操作与模型组合
    1. 从软组织模型中减去骨模型，以更真实地呈现临床情况。
      注意：无牙的原始 IOS 已成为软组织模型。
    2. 在 对象浏览器 中同时选择骨模型和软组织模型，并选择 布尔差集。
    3. 使用 收缩平滑 笔刷平滑过渡区域，并去除软组织模型底侧的突起部分。
    4. 使用相同流程从软组织模型中减去牙齿模型，并对过渡区域进行平滑处理。
  5. 为模型着色
    1. 为模型表面着色，以增强真实感。此时模型已完成，牙齿、软组织和牙槽骨已相互分离，呈现出三维的临床解剖结构。
    2. 从侧边栏中选择 雕刻，并将小滑块从 体积 切换至 表面。
    3. 从笔刷列表中选择 PaintVertex，并在侧边栏的 颜色 区域中使用色轮选择所需颜色。为每个模型的表面着色（例如：骨组织：棕色，软组织：粉色，牙齿：白色）

动画图1：最终着色模型的动画演示，可用于虚拟手术规划。 请点击此处下载该图。

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结果

通过放射影像分割、空间配准和自由形态建模，可生成虚拟的三维（3D）模型。这些模型以数字化方式呈现临床状况，使得各类外科手术的三维规划成为可能。通过对骨组织和牙齿分别进行分割，可清晰显示两种解剖结构之间的边界，从而评估牙周骨内缺损的三维形态和定位。还可根据邻近牙齿的情况，评估急性和慢性牙槽嵴缺损的严重程度、范围和形态。医学图像处理软件中常见的多种半自动分割工具（图1）（图2）（例如边缘检测工具、形态学轮廓插值算法）可缩短分割所需时间（图3）。然而，由于牙齿与牙槽骨的体素灰度值相近，两者的分离必须手动完成，这一过程可能十分耗时。此外，锥形束CT（CBCT）扫描中存在的伪影也会阻碍分割过程的进行。

将口内扫描（IOS）与后续的计算机辅助设计（CAD）建模叠加，可实现临床情况的三维观察。在IOS模型上，牙齿与软组织被分离（图4）。牙齿的三维模型由锥形束C...

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讨论

通过本方案，可对牙周及牙槽骨缺损形态进行三维（3D）可视化，相较于二维诊断方法及使用阈值算法生成的三维模型，能够更准确地呈现临床实际情况。该方案可分为三个主要阶段：（1）锥形束CT（CBCT）数据集的半自动分割，（2）CBCT与口内扫描（IOS）数据的空间配准，以及（3）自由曲面建模。从技术上讲，分割可在任何三维放射影像上进行；然而，低质量数据集的重建更具挑战性。因此，建议采用较小的体素尺寸（约 120 µm）、管电流（12 mA）和阳极电压（80 kV）14。由于咬合平面会产生大量散射，CBCT成像时应保留足够的咬合间隙。

半自动分割过程的特定步骤已实现自动化，但仍有一些操作需要手动分割，从而延长了整个过程的耗时。为了缩短分割所需时间，已开发出基于人工智能（AI）的卷积神经网络，用于牙齿和骨骼的快速自动分割15,16。在机器学习中，用于图像分析的卷积神经网络需基于样本数据库进行表征学习，且数据库中图像的特征必须具有相...

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披露

作者声明无利益冲突。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3DSlicer3DSlicer（该软件最初由Queen’加拿大某大学，由于其开源性质，目前仍持续得到开发与维护’s 社区)4.13.0-2021-03-19开源放射影像图像处理软件平台。该软件主要用于普通医学领域，但其丰富的分割与建模工具也使其适用于其他应用’也用于牙科用途
Meshmixer欧特克有限公司3.5一款开源的自由曲面建模软件，专为原型开发和基础3D雕刻而设计。然而，由于其工具在牙科应用中的实用性，该软件不仅可用于设计3D模型，还可用于设计导航手术的静态导板。

参考文献

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