Kamerabasierte Augmented-Reality-Navigation zur Unterstützung der Extraktion impaktierter überzähliger Zähne

Zusammenfassung

Hier schlagen wir einen auf einer Stereokamera basierenden Ansatz der erweiterten Realität (AR) mit markerloser Registrierung zur Unterstützung beim Entfernen eingeschlossener überzähliger Zähne vor. Dieser Arbeitsablauf bietet visuelle Unterstützung bei der Lokalisation eingeschlossener überzähliger Zähne und könnte als praktikable zusätzliche Methode für den klinischen Einsatz dienen.

Zusammenfassung

Die chirurgische Entfernung tief sitzender überzähliger Zähne ist aufgrund ihrer verborgenen Lage und der Nähe zu lebenswichtigen Strukturen wie Zahnanlagen und Nerven ein anspruchsvolles pädiatrisches Verfahren. Herkömmliche manuelle Methoden basieren häufig auf subjektiven, mentalen Rekonstruktionen aus 3D-Bilddaten, was zu übermäßiger Knochenentfernung und iatrogenen Verletzungen führen kann. Diese Studie stellt einen standardisierten Protokollansatz vor, der ein kamerabasiertes 3D-AR-Navigationssystem zur Unterstützung bei der Lokalisation überzähliger, retentionierter Zähne verwendet. Ein digitaler Workflow wurde etabliert, indem präoperative Daten der Kegelstrahlcomputertomographie (CBCT) mit intraoralen Scans kombiniert wurden, um einen patientenspezifischen virtuellen Plan zu erstellen. Während des Eingriffs erfasst eine hochauflösende Kamera das Operationsfeld, und das virtuelle Modell des retentionierten, überzähligen Zahns wird über das Live-Kamerabild, das auf dem Computerbildschirm angezeigt wird, gelegt, wodurch eine visuelle Referenz für die unterstützte Lokalisation bereitgestellt wird. Die AR-Navigationsanzeige ermöglicht es Chirurgen, die Transparenz verschiedener Gewebeschichten anzupassen, um die innere Sichtbarkeit zu verbessern, und die Bildregistrierung über eine einstellbare Vertrauensschwelle für die Lokalisation zu optimieren. Darüber hinaus ermöglicht das System, die Anzeige nach Erreichen der genauesten Ausrichtung zu fixieren, wodurch während kritischer Manöver visuelle Stabilität gewährleistet wird. Dieses Protokoll wurde an einem klinischen Fall mit einem Patienten mit tief sitzendem, überzähligem Zahn demonstriert. Das vorläufige Ergebnis zeigte, dass das System eine intuitive räumliche Orientierungshilfe für die unterstützte Lokalisation des retentionierten, überzähligen Zahns bot. Der Workflow erwies sich als klinisch durchführbar, und es traten keine intraoperativen Komplikationen wie Schädigungen benachbarter Zahnwurzeln auf. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die kamerabasierte AR-Navigation eine mögliche ergänzende Methode zu konventionellen Techniken bei der assistierten Entfernung retentionierter, überzähliger Zähne darstellen kann. Durch die Echtzeitvisualisierung innerer Strukturen sowie interaktive Steuerung von Registrierung und Transparenz unterstützt dieses Protokoll die klinische Einführung digitaler Innovationen bei komplexen zahnärztlichen Eingriffen im Kindesalter.

Einleitung

Supranumeräre Zähne sind Zähne, die die normale Zahlanzahl im Gebiss überschreiten. Sie stellen eine häufige entwicklungsbedingte zahnärztliche Anomalie dar und können auch als orale Manifestation bestimmter Syndrome auftreten. Klinisch werden supranumeräre Zähne am häufigsten im Bereich der vorderen Oberkieferregion beobachtet. Einige supranumeräre Zähne stellen lediglich eine Erhöhung der Zahlanzahl dar und können asymptomatisch bleiben; sie können jedoch auch Komplikationen verursachen, darunter eine abnormale Durchbruchsbewegung benachbarter Zähne, Wurzelresorption, Unregelmäßigkeiten des Zahnhalbbogens und Zystenbildung^1,2. Daher ist in der Regel eine chirurgische Entfernung erforderlich, wenn supranumeräre Zähne den Durchbruch bleibender Zähne beeinträchtigen, ein Risiko für Komplikationen darstellen oder die weitere Behandlungsplanung beeinflussen.

Eine frühzeitige Diagnose und rechtzeitige Intervention sind für das Management von Überzahlzähnen von grundlegender Bedeutung. Der Zeitpunkt der Intervention und die Wahl des chirurgischen Vorgehens hängen eng mit der räumlichen Position des Überzahlzahns zusammen. Obwohl der optimale Zeitpunkt für die Entfernung umstritten bleibt, bevorzugen viele Kliniker eine frühe Intervention bei Fällen, bei denen bereits die Durchbruchsbewegung eines bleibenden Zahns beeinträchtigt ist oder eine potenzielle Gefahr von Komplikationen besteht^3,4. Die Wahl der chirurgischen Technik hängt weitgehend von klinischen und radiologischen Untersuchungen ab. Die Kegelstrahlcomputertomographie (CBCT) wird vor der Entfernung von Überzahlzähnen häufig eingesetzt, da sie eine dreidimensionale (3D) Beurteilung der Anzahl, Position, Wurzelmorphologie sowie der räumlichen Beziehung der Überzahlzähne zu den umgebenden anatomischen Strukturen ermöglicht. Diese Informationen helfen dabei, den genauen Ort des Zahns, seine labiale oder palatinale Lage, den Grad der knöchernen Einbettung sowie das geeignete chirurgische Vorgehen zu bestimmen^2,5.

Derzeit beruht die herkömmliche manuelle Entfernung hauptsächlich auf der räumlichen Interpretation präoperativer Bilder durch den Chirurgen und einer auf Erfahrung basierenden Lokalisation. Fehler bei der Lokalisation können zu übermäßiger Knochenentfernung und sogar zu Schäden an benachbarten Zahnwurzeln oder wichtigen anatomischen Strukturen führen^3,6. Mit der Entwicklung minimalinvasiver Konzepte und Fortschritten in der Digitaltechnologie wurden 3D-gedruckte individuelle Schablonen, dynamische Navigation, gemischte Realität und robotergestützte Techniken zur Entfernung komplexer Retentionszähne oder überzähliger Zähne eingesetzt^7,8,9,10. Diese Techniken haben das Potenzial gezeigt, die Lokalisation zu verbessern, die Operationsdauer zu verkürzen und den Knochenverlust zu reduzieren. Allerdings weisen diese Techniken auch Grenzen auf. 3D-gedruckte individuelle Schablonen erfordern in der Regel einen präoperativen Entwurf, Modellverarbeitung, Schablonendruck und Nachbearbeitung, was die Vorbereitungszeit und die Komplexität des Arbeitsablaufs erhöhen kann. In primären Krankenhäusern oder Einrichtungen mit begrenzter Ausrüstung hängt die Herstellung der Schablonen oft von externen Bearbeitungszentren ab, was die Vorbereitungszeit weiter verlängern kann. Dynamische Navigationssysteme und robotergestützte Systeme benötigen in der Regel zusätzliche Verfolgungseinrichtungen und Registrierungsverfahren. Im begrenzten intraoralen Operationsraum können diese Systeme die Komplexität der Geräteanordnung und chirurgischen Handhabung erhöhen und möglicherweise das Sichtfeld des Chirurgen sowie die Instrumentenführung beeinträchtigen. Obwohl die gemischte Realität ein hohes Visualisierungspotenzial bietet, bleiben die Genauigkeit der Registrierung von virtuellen und realen Bildern sowie die Stabilität der dynamischen Verfolgung wichtige Faktoren, die ihre klinische Anwendung einschränken. Zudem könnten die hohen Kosten der Ausrüstung und die lange Einarbeitungszeit dieser Technologien ihre breite Anwendung bei der ambulanten Entfernung retinierter überzähliger Zähne begrenzen.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, verwendet die in diesem Protokoll beschriebene AR-Methode eine vergleichsweise einfache Hardware-Konfiguration, die hauptsächlich aus einem Computer, einer Stereokamera und AR-Navigationssoftware besteht. Die AR-Technologie wurde bereits vorläufig in zahn-, mund- und kieferchirurgischen Eingriffen angewandt, darunter odontogene Zystektomie, Einsetzen von Dentalimplantaten, kieferorthopädische Chirurgie, Traumaversorgung im Kiefer- und Gesichtsbereich sowie die Entfernung von eingeschobenen dritten Molaren, und hat Potenzial für die intraoperative Visualisierung und räumliche Lokalisation gezeigt^{11,12,13,14,15,16}. Daher schlägt dieses Protokoll eine auf einer Stereokamera basierende, markerlose, registrierungsbasierte AR-Methode zur Unterstützung bei der Entfernung von überzähligen Zähnen vor. Präoperativ werden CBCT-Daten und intraorale Scandaten zur 3D-Rekonstruktion erfasst. Die digitalen Modelle des überzähligen Zahns und der benachbarten Zähne werden rekonstruiert und in das AR-Navigationssystem importiert. Intraoperativ erfasst die Stereokamera das Operationsfeld in Echtzeit. Das System führt eine markerlose Registrierung basierend auf der Zahnform durch, und das virtuelle Modell des überzähligen Zahns wird über das Live-Kamerabild, das auf dem Bildschirm angezeigt wird, gelegt, wodurch eine visuelle intraoperative Referenz für die Lokalisation bereitgestellt wird. Dieser Arbeitsablauf eignet sich besonders für tief eingeschobene überzählige Zähne, bei denen die Lokalisation mittels konventioneller manueller Chirurgie als schwierig erwartet wird.

Protokoll

Das hier beschriebene Verfahren wurde genehmigt und in Übereinstimmung mit den Richtlinien des Ethik-Komitees für Humorforschung des Angegliederten Instituts für Zahnmedizin der Kunming Medical University, Kunming, China (Genehmigungsnummer: KYKQ2025MEC0077) durchgeführt. Die schriftliche Einwilligung des Patienten und ihres gesetzlichen Vertreters zur Nutzung und Veröffentlichung der klinischen und intraoperativen Bilder wurde eingeholt.

1. Instrumentenvorbereitung

1. Bereiten Sie sterile Instrumente für die Zahnextraktion vor.
2. Bereiten Sie die AR-Ausrüstung vor, einschließlich eines Laptop-Computers und einer hochauflösenden Kamera, die über USB 3.0 mit dem Computer verbunden ist.

2. Präoperative Bildgebung und Patientenvorbereitung (Abbildung 1)

1. Führen Sie eine präoperative hochauflösende, auf CBCT basierende 3D-Rekonstruktion durch, wobei insbesondere die Position des eingeschlossenen Überzahlzahns im Oberkiefer sowie dessen räumliche Beziehung zu den benachbarten Zahnwurzeln und dem nasopalatinalen neurovaskulären Bündel zu beachten ist.
   ANMERKUNG: CBCT-Aufnahmeparameter: New Tom 3G; Messfeld: 153,60 mm x 153,60 mm; Matrixgröße: 512 x 512 Pixel; Voxelgröße: 0,300 mm; Röhrenspannung: 110 kVp; Röhrenstrom: 3 mA.
   1. Exportieren Sie den CBCT-Datensatz im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) aus der CBCT-Software.
   2. Öffnen Sie Mimics Medical 21.0, im Folgenden als 3D-Rekonstruktionssoftware bezeichnet. Klicken Sie auf Datei > Neues Projekt, importieren Sie den DICOM-Datensatz des Patienten und klicken Sie auf Weiter > Öffnen.
   3. Klicken Sie auf Segmentieren > Neue Maske. Wählen Sie unter Vordefinierte Schwellenwert-Sets die Option Knochen (CT) aus und passen Sie den Schwellenwertbereich mithilfe des Schiebereglers an. Legen Sie in diesem Fall den Mindestwert auf 570 HU und den Maximalwert auf 3071 HU fest. Erzeugen Sie eine Maske, die kraniofaziale Skelettdaten enthält (als Maxilla benannt).
   4. Klicken Sie auf Segmentieren > Maske zuschneiden, ziehen Sie den Auswahlrahmen, um den Bereich auf den Oberkiefer zu begrenzen, und klicken Sie auf OK.
   5. Klicken Sie auf Segmentieren > Masken bearbeiten, wählen Sie im Popup-Fenster Löschen aus und entfernen Sie die mandibulären Zähne, die mit den maxillären Zähnen in den zweidimensionalen und 3D-Ansichten in Kontakt stehen. Erhalten Sie so den Oberkiefer und die maxilläre Zahnreihe.
   6. Rekonstruieren Sie den Überzahlzahn und die benachbarten Zähne. Klicken Sie auf Neue Maske, wählen Sie Enamel (CT, Child) unter Vordefinierte Schwellenwert-Sets aus und klicken Sie auf OK, um die Zahndaten des Patienten zu erhalten.
   7. Klicken Sie auf Segmentieren > Masken bearbeiten, wählen Sie im Popup-Fenster Löschen aus und entfernen Sie die überflüssigen Zähne, sodass nur der eingeschlossene Überzahlzahn im Wurzelbereich des rechten oberen Schneidezahns verbleibt.
   8. Klicken Sie auf Segmentieren > Masken bearbeiten und Mehrfach-Schnitt-Bearbeitung, um die Maske des Überzahlzahns zu verfeinern.
   9. Wählen Sie die Masken von Maxilla und Überzahlzahn aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste und dann auf Teil berechnen, um die entsprechenden 3D-Objekte zu erzeugen.
2. Erfassen und reparieren Sie die intraorale Scan-Daten des Patienten (Abbildung 2A).
   1. Kalibrieren Sie vor dem Scannen den intraoralen 3D-Scanner mithilfe des Kalibriermoduls in der Scan-Software gemäß den Herstelleranweisungen. Erfassen Sie den intraoralen Zahnscan mithilfe eines intraoralen 3D-Scanners (Scan-Geschwindigkeit: 20 Bilder/s; Einzelzahn-Genauigkeit: ≤0,01 mm; Scan-Tiefe: <22 mm) und exportieren Sie die Scan-Daten im STL-Format.
   2. Öffnen Sie Geomagic Wrap 2021 (im Folgenden als Software zur 3D-Scandatenverarbeitung bezeichnet).
   3. Klicken Sie auf Datei > Öffnen, wählen Sie die STL-Datei der Oberkiefer-Zahnscan-Daten aus und klicken Sie auf Öffnen.
   4. Wählen Sie im Einheiten-Auswahlfenster Millimeter aus und klicken Sie auf OK.
   5. Klicken Sie auf Beschneiden > Mit Kurve beschneiden, um überflüssige und unregelmäßige ungültige Daten am Rand des Scans zu entfernen.
   6. Klicken Sie auf Polygone > Einzelnes Loch füllen > Flach > Brücke, um das Modell zu schließen.
   7. Klicken Sie auf Mesh Doctor > Anwenden > OK, um das Modell zu reparieren.
   8. Klicken Sie auf Speichern und wählen Sie STL als Dateityp aus.

3. Registrierung der 3D-Scandaten mit den aus der CBCT-Datensammlung rekonstruierten Daten

1. Klicken Sie in der 3D-Rekonstruktionssoftware auf Importieren > STL und importieren Sie die reparierte STL-Datei des intraoralen Scanmodells.
2. Klicken Sie auf Ausrichten > Punktregistrierung und wählen Sie entsprechende reproduzierbare Landmarken sowohl am intraoralen Scanmodell als auch am aus der CBCT-Datenaufnahme abgeleiteten Zahnmodell aus. Für die anfängliche Punktregistrierung sind mindestens vier nicht kollineare Punkte erforderlich; sechs Punkte werden empfohlen, um die Stabilität der Registrierung zu verbessern. Wählen Sie beispielsweise die mesioinzisalen Winkelpunkte der oberen Schneidezähne, die Eckzahnspitzen sowie entweder die mesiobukkalen Molarenspitzen oder die Zentralgruben der oberen ersten Molaren auf beiden Seiten. Klicken Sie auf OK, um das initial registrierte Modell zu erhalten.
3. Klicken Sie unter „Objekte“ auf Konturen sichtbar, um die Registrierungsqualität in den axialen, sagittalen und koronalen Ebenen zu überprüfen. Eine zufriedenstellende Registrierung liegt vor, wenn die Zahnbogenkonturen des intraoralen Scanmodells und des aus der CBCT-Datenaufnahme abgeleiteten Zahnmodells in den zweidimensionalen Ansichten nahezu vollständig visuell übereinstimmen, ohne erkennbare translatorische oder rotationelle Abweichungen. Falls Abweichungen festgestellt werden, passen Sie das Modell an, indem Sie auf Neupositionieren > Mit Maus verschieben und Mit Maus drehen klicken, um das endgültig registrierte Modell zu erhalten.
4. Klicken Sie auf Datei > Exportieren > Binäres STL > Teil, wählen Sie das Modell des eingeschlossenen Überzahlzahns und das registrierte intraorale Scanmodell aus und klicken Sie auf Hinzufügen > Fertig stellen.

4. Isolation der Daten des vorderen Gebisses zur Erkennung (Abbildung 2B)

1. Öffnen Sie die Software zur Verarbeitung von 3D-Scandaten.
2. Klicken Sie auf Datei > Öffnen, wählen Sie die STL-Datei mit den Scandaten des Oberkiefergebisses aus und klicken Sie auf Öffnen.
3. Wählen Sie im Fenster zur Einheitenauswahl Millimeter aus und klicken Sie auf OK.
4. Klicken Sie auf Beschneiden > Mit Kurve beschneiden. Klicken Sie nacheinander entlang des Zahnfleischsaums, um den Kronenabschnitt der oberen Frontzähne von Eckzahn zu Eckzahn zu umreißen, und klicken Sie anschließend auf Anwenden > OK.
5. Wählen Sie im Modell-Manager den nicht-frontalen Kronenabschnitt aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste und wählen Sie Löschen.
6. Klicken Sie auf Polygone > Einzelnen Bereich füllen > Flach > Verbinden. Wählen Sie die grüne Begrenzungslinie aus, halten Sie die linke Maustaste gedrückt, ziehen Sie mit der Maus und markieren Sie die gegenüberliegende Begrenzung, um das Verbinden abzuschließen.
7. Klicken Sie auf Alles füllen > Anwenden > OK, um die Modellabschlussbearbeitung abzuschließen.
8. Klicken Sie auf Mesh-Doktor > Anwenden > OK, um die Modellreparatur abzuschließen.
9. Klicken Sie auf Speichern und wählen Sie STL als Dateiformat aus.

5. Start der AR-Navigation

HINWEIS: Eine Intel RealSense D415-Kamera wurde ausschließlich zur Erfassung von RGB-Bildern mit 1080p und 30 Bildern pro Sekunde verwendet; ihre Tiefensensorik wurde nicht für die Verfolgung oder Registrierung genutzt. Die Kamerakalibrierungsparameter wurden während der Softwareentwicklung vordefiniert und für die AR-Registrierung verwendet. Bei späteren Anwendungen war keine zusätzliche Kalibrierung erforderlich. In diesem System erfolgte die Registrierung mithilfe des patientenspezifischen dreidimensionalen Modells der Frontzähne als Zahnmarkierung. Das System verglich die projizierte Kontur und geometrischen Merkmale dieses 3D-Modells mit der Frontzahnregion des Patienten in der Live-RGB-Kameraansicht. Nach der automatischen Registrierung wurde das virtuelle Modell des zusätzlichen Zahns entsprechend seiner präoperativ definierten räumlichen Beziehung zum Frontzahnmodell dargestellt.

1. Öffnen Sie die AR-Software.
2. Klicken Sie auf STL importieren, wählen Sie das Modell des betroffenen überzähligen Zahns und das Modell der vorderen Zahnreihe aus, die in den vorherigen Schritten exportiert wurden, klicken Sie auf OK und anschließend auf Projekt speichern.

6. Präoperative Vorbereitung

1. Legen Sie den Patienten in Rückenlage und stellen Sie den Zahnarztstuhl in die chirurgische Position ein.
2. Desinfizieren Sie die intraoralen und extraoralen Bereiche mit 0,5% Povidon-Iod.
3. Bedecken Sie Kopf, Gesicht und Hals mit sterilen Tüchern, wobei nur der Bereich von der Nasenspitze bis zum submentalen Punkt freigelegt bleibt.
4. Führen Sie eine lokale Infiltrationsanästhesie an der bukkalen und palatinalen Schleimhaut des Operationsgebiets durch, indem Sie etwa 1,7 mL 4%iges Articainhydrochlorid mit Adrenalin 1:100.000 verwenden, das 68 mg Articainhydrochlorid und 17 µg Epinephrinbitartrat enthält.
5. Bedecken Sie das Kameradatenkabel und die Miniaturhalterung mit einer sterilen Hülle. Halten Sie die Kamera während der Bildaufnahme mindestens 30 cm vom sterilen Operationsfeld entfernt.

7. Etablierung des chirurgischen Zugangs unter AR-Unterstützung

HINWEIS: Führen Sie das Verfahren mit einem Team durch, das aus einem erfahrenen Facharzt für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie mit Erfahrung in AR-Technologie, einem chirurgischen Assistenten und einem AR-Operationstechniker besteht.

1. Ziehen Sie die Oberlippe mit einem Retraktor und einem Mundspiegel zurück, um das chirurgische Feld freizulegen.
2. Öffnen Sie die AR-Software und die Projektdatei. Wählen Sie das Modell der Frontzähne und verwenden Sie es als Registrierungsmarker. Klicken Sie auf Virtuell und Navigation > Kamera-AR-Navigation, und wählen Sie dann die Kamera aus, um die AR-Navigationsoberfläche aufzurufen.
3. Nachdem das Navigationsmodul erfolgreich aktiviert wurde, zeigt die Navigationsoberfläche die Live-Kameraansicht an. Die Kontur des Registrierungsmarkers erscheint in der Bildschirmmitte. Da sich die Kamera in einem bestimmten Abstand und Winkel zum chirurgischen Feld befindet, passen Sie manuell Größe und Ausrichtung der Marker-Kontur an, sodass sie mit der Zahnkontur in der Kameraansicht übereinstimmt. Dieser Schritt dient nur einer vorläufigen Ausrichtung; die endgültige Registrierung wird automatisch in Schritt 7.4 abgeschlossen.
4. Wenn die Zuverlässigkeit von Merkmalsabgleich und Lokalisierung den voreingestellten Schwellenwert (0,7) erreicht, schließt das System die Registrierung automatisch ab. Der Merkmalsabgleich bezieht sich auf die Übereinstimmung zwischen der projizierten Kontur und den geometrischen Merkmalen des patientenspezifischen dreidimensionalen Modells der Frontzähne sowie den sichtbaren Frontzähnen in der Live-RGB-Kameraansicht.
   ANMERKUNG: Die Lokalisierungsvertrauenswürdigkeit beschreibt die softwareseitig geschätzte Zuverlässigkeit der räumlichen Lokalisierung des Zahnmarkers in der Kameraansicht. Der Schwellenwert von 0,7 repräsentiert die voreingestellte Mindestqualität der Verfolgung, die für die Annahme einer automatischen Registrierung erforderlich ist. Eine Registrierung galt erst dann als erfolgreich, wenn sowohl der Merkmalsabgleich als auch die Lokalisierungsvertrauenswürdigkeit diesen Schwellenwert erreichten. Dieser Schwellenwert wurde basierend auf wiederholten Vorversuchen gewählt, um eine Balance zwischen schneller Erkennung und stabiler AR-Überlagerung zu erreichen, entspricht jedoch nicht einer quantitativ gemessenen chirurgischen Lokalisierungsgenauigkeit.
5. Nach der Registrierung wechselt die Farbe der Zahnmarkerkontur von rot auf grün. Gemäß der präoperativ definierten räumlichen Beziehung wird das virtuelle Modell des überzähligen Zahns auf das Live-Kamerabild überlagert und auf dem Bildschirm angezeigt. Die angezeigte Position des virtuellen Zahnmodells markiert zu diesem Zeitpunkt den Ort des eingeschobenen überzähligen Zahns.
6. Passen Sie den Kamerawinkel an, um eine optimale Ansicht des virtuellen Modells als intraoperativen Referenzpunkt zu erhalten. Beim langsamen Drehen der Kamera verändert sich die relative Ansicht zwischen Kamera und Zahnmarkerkontur. Da die räumliche Beziehung zwischen dem Modell des überzähligen Zahns und dem Zahnmarkerkontur präoperativ definiert wurde, aktualisiert sich die Ansicht des virtuellen überzähligen Zahnmodells auf dem Bildschirm entsprechend der Kameraansicht.
7. Während des Eingriffs hält der AR-Operationsassistent die Kamera mithilfe einer Miniaturhalterung und passt kontinuierlich die Kameraposition so an, dass das chirurgische Feld im Oberkiefer-Frontzahnbereich mittig in der Kameraansicht liegt und die optische Achse der Kamera möglichst senkrecht zur Oberfläche des chirurgischen Feldes verläuft, um eine optimale operative Sicht zu gewährleisten.
8. Passen Sie die Transparenz des virtuellen Modells des überzähligen Zahns so lange an, bis das Skalpell unter dem Modell in der AR-Navigationsansicht sichtbar ist. Der Chirurg kann die auf dem Bildschirm angezeigten Konturen des überlagerten virtuellen Modells nutzen, um die ungefähren Grenzen des tatsächlichen überzähligen Zahns abzuschätzen. Führen Sie dann einen etwa 1 cm langen labialen Schleimhautschnitt aus, der über der geschätzten Zervikalregion des überzähligen Zahns zentriert ist und dessen Orientierung ungefähr senkrecht zur langen Achse des überzähligen Zahns verläuft (Abbildung 3A). Heben Sie den Mukoperiostlappen an und legen Sie den Knochen über dem überzähligen Zahn frei.
9. Wenn chirurgische Instrumente den Bereich der Zahnkennung häufig verdecken und die Echtzeit-AR-Navigation unterbrechen, aktivieren Sie die Bildfixierfunktion. Nachdem das virtuelle Modell auf das Live-Kamerabild überlagert wurde, fixieren Sie dessen Position relativ zu den realen anatomischen Strukturen und verwenden Sie die Bildschirmanzeige als intraoperative Referenz zur Lokalisierung des überzähligen Zahns.
   ANMERKUNG: Im vorliegenden Fall wurde die Bildfixierfunktion nicht verwendet, da die Echtzeit-AR-Navigation stabil blieb und intraoperativ nur minimale Störungen auftraten.

8. Freilegung und Entfernung des retinierten Überzahligen Zahns

1. Unter AR-gestützter Lokalisation die Position und ungefähren Grenzen des tatsächlichen überzähligen Zahns anhand der auf dem Bildschirm angezeigten Konturen des virtuellen Modells identifizieren. Mit einem chirurgischen Handstück den Knochen über dem geschätzten Kronenbereich entfernen, bis die Krone des überzähligen Zahns freigelegt ist (Abbildung 3B,C).
2. Nach der Freilegung des Zahns die anschließende Teilung und Extraktion unter direkter Sicht ohne weitere AR-Unterstützung durchführen.
3. Mit dem chirurgischen Handstück die freigelegte Zahnhartsubstanz in mesiodistaler Richtung teilen, wodurch die Krone von der Wurzel getrennt wird und Widerstände beseitigt werden. Alternativ einen Zahnheber und eine Moskito-Pinzette verwenden, um Krone und Wurzel zu entfernen (Abbildung 3D,F).
4. Den Zahnfachhohlraum mit einer Kürette abschaben, um sicherzustellen, dass kein dentales Follikelgewebe verbleibt.
5. Den Zahnfachhohlraum mit steriler Kochsalzlösung spülen, um sicherzustellen, dass keine Zahnsplitter zurückbleiben (Abbildung 3E).
6. Die Inzision mit nicht resorbierbaren 3-0-Nähten verschließen und durch Druck mit hämostatischem Mull eine Blutstillung erzielen.

9. Postoperative Versorgung

1. Beobachten Sie den Patienten 1 Stunde nach der Operation und entlassen Sie den Patienten, wenn keine offensichtliche Wundblutung vorliegt. Erlauben Sie dem Patienten, 2 Stunden nach der Operation mit einer kalten Flüssigkeitskost zu beginnen, und wechseln Sie allmählich zu einer weichen Kost. Weisen Sie den Patienten an, die Mundhygiene im Operationsbereich streng einzuhalten.
2. Verschreiben Sie orale Amoxicillin-Kapseln, 0,5 g zweimal täglich für 3 Tage, zur postoperativen Infektionsprophylaxe. Weisen Sie den Patienten an, eine 0,3-g-Ibuprofen-Kapsel nach Bedarf bei postoperativen Schmerzen einzunehmen.
3. Entfernen Sie die Nähte 1 Woche nach der Operation. Weisen Sie den Patienten an, auf Wundblutungen, Schmerzen oder Beschwerden zu achten, und bei Auftreten dieser Symptome unverzüglich medizinische Hilfe in Anspruch zu nehmen.

Ergebnisse

Eine 17-jährige Patientin unterzog sich während einer kieferorthopädischen Beratung einer DVT-Untersuchung, die zwei retinierte Überzahlzähne im Bereich der vorderen Oberkieferregion zeigte. Nach Beurteilung durch den Kieferorthopäden wurde die Entfernung der beiden Überzahlzähne sowie eines zurückgehaltenen Milchzahns empfohlen. Die intraorale Untersuchung zeigte den zurückgehaltenen Milchzahn, während keiner der Überzahlzähne in die Mundhöhle durchgebrochen war. Die DVT zeigte einen invertierten Überzahlzahn oberhalb der Spitze des rechten oberen Seitenzahns, der vollständig knöchern eingeschlossen war. Der zweite Überzahlzahn befand sich auf der Gaumenseite zwischen dem linken oberen Schneidezahn und Seitenzahn, war in labial-palataler Richtung orientiert und nicht vollständig von Knochen bedeckt; daher war seine Lokalisierung vergleichsweise einfach. Nach ausführlicher Aufklärung der Patientin und ihrer Familie über den Befund, den Behandlungsplan, mögliche Risiken sowie alternative Therapieoptionen stimmten sie der Entfernung des invertierten, knöchern eingeschlossenen Überzahlzahns oberhalb der Wurzelspitze des rechten oberen Seitenzahns mit AR-Unterstützung zu. Der andere Überzahlzahn und der zurückgehaltene Milchzahn wurden mittels konventioneller Methode entfernt.

Die perioperativen Ergebnisse waren wie folgt: Die digitale Planung dauerte 15 min. Während der Operation diente die Frontzahnregion als Bezahnungsmarke. Nach Abschluss der initialen manuellen Ausrichtung war kein zusätzlicher, punktbasierter intraoperativer Registrierungsschritt erforderlich, da das AR-System die Zuordnung und Registrierung automatisch vollständig durchführte. Mithilfe der AR-gestützten Lokalisation identifizierte der Chirurg die Inzisionsstelle und bereitete das Knochenfenster vor, um den eingeschlossenen Überzahlzahn freizulegen. Der chirurgische Eingriff, von der Inzision bis zur vollständigen Entfernung des eingeschlossenen Überzahlzahns, dauerte 10 min. Während des Eingriffs wurde die AR-Verfolgung vorübergehend unterbrochen, da chirurgische Instrumente den Bereich der Bezahnungserkennung verdeckten. Nachdem die Frontzahnregion erneut freigelegt worden war, erkannte das System sie erneut und die Navigation wurde fortgesetzt.

Es wurde kein intraoperativer Schaden an benachbarten Zahnwurzeln oder wichtigen neurovaskulären Strukturen beobachtet. Der retinierte Überzahlzahn wurde nach Kronensektion vollständig entfernt, um den Widerstand zu beseitigen. Da die postoperative Untersuchung zeigte, dass der extrahierte Zahn intakt war und sich keine verbliebenen Zahnfragmente oder Zahnfollikelgewebe im Extraktionssockel befanden, wurde keine zusätzliche postoperative CBCT-Untersuchung durchgeführt. Der andere Überzahlzahn wurde nach konventionellem Schnitt und Klapppräparation entfernt, und der retinierte Milchzahn wurde routinemäßig entfernt.

Der Patient kehrte 1 Woche nach der Operation zur Entfernung der Nähte zurück. Die klinische Untersuchung zeigte keine Rötung oder Schwellung der Mukosa und keine weiteren Anzeichen einer Entzündung im Operationsbereich. Der Patient berichtete über keine sensorischen Auffälligkeiten der Mukosa. Die benachbarten Zähne zeigten bei der Perkussion keine Beschwerden und wiesen keine Beweglichkeit auf.

Abbildung 1: Präoperative CBCT-Bilder und 3D-Rekonstruktion der überzähligen Zähne. (A) sagittale, (B) axiale und (C) koronare CBCT-Bilder, die die Lage der retinierten überzähligen Zähne (rote Pfeile) im Bereich des vorderen Oberkiefers sowie deren Beziehung zu benachbarten Zahnwurzeln und dem umgebenden Knochen zeigen. (D) 3D-Rekonstruktionsmodell, das Oberkiefer, Zahnreihe und zwei überzählige Zähne darstellt. Das rote Modell repräsentiert den überzähligen labialen Zahn, der mit AR-Unterstützung entfernt wurde, und das grüne Modell den palatinalen überzähligen Zahn, der mithilfe des konventionellen Zugangs entfernt wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 2: Verarbeitung des intraoralen Scanmodells. (A) Repariertes maxillares intraorales Scanmodell, das zur Registrierung mit dem Rekonstruktionsmodell verwendet wurde. (B) Ein beschnittenes Modell der maxillaren Frontzähne, das zur markerlosen AR-Konturregistrierung verwendet wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 3: Wichtige intraoperative Schritte der augmented-reality-gestützten Entfernung eines retinierten Supernumerärs. (A) Lokalisation vor dem Einschnitt. Das virtuelle Modell des retinierten Supernumerärs wurde über das Live-Kamerabild gelegt, das in der AR-Navigationsanzeige dargestellt wird. Die grüne Kontur repräsentiert die registrierte vordere Zahnreihe, und das grüne Volumenmodell zeigt die geplante Position des retinierten Supernumerärs. (B) Die AR-Navigation wurde zur Unterstützung der Lokalisation während der Knochenentfernung verwendet. (C) Der retinierte Supernumerär wurde nach Entfernung des überliegenden Knochens freigelegt. (D) Das segmentierte Zahnteil wurde aus dem Zahnfach entfernt. (E) Das Zahnfach wurde nach vollständiger Entfernung des retinierten Supernumerärs überprüft. (F) Der entfernte Supernumerär wurde untersucht, um die vollständige Entfernung zu bestätigen. Klicken Sie bitte hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Diskussion

Überzählige Zähne sind eine häufige entwicklungsbedingte zahnärztliche Anomalie und können zu Komplikationen wie einer abnormen Durchbruchsbewegung benachbarter Zähne, Wurzelresorption, Zahnkieferverschiebungen und Zystenbildung führen. Bei überzähligen Zähnen, die den Durchbruch bleibender Zähne behindern, ein Risiko für Komplikationen darstellen oder die Planung einer anschließenden kieferorthopädischen Behandlung beeinträchtigen, ist in der Regel die chirurgische Entfernung die primäre Therapieoption. Überzählige Zähne, die bereits durch die Mukosa durchgebrochen und direkt sichtbar sind, oder solche, die in den Knochen eingedrungen sind und nach einer Inzision der Mukosa sichtbar werden, lassen sich vergleichsweise leicht entfernen. Im Gegensatz dazu können vollständig im Knochen eingeschlossene, impaktierte überzählige Zähne im chirurgischen Feld nicht direkt beobachtet werden. Die Bestimmung ihrer labial-palatinalen Position, der erforderlichen Knochenfenstergröße sowie des chirurgischen Zugangswegs hängt hauptsächlich von der räumlichen Interpretation präoperativer Bildgebungen und der klinischen Erfahrung des Chirurgen ab, was diese Fälle besonders herausfordernd macht, insbesondere für weniger erfahrene junge Chirurgen. Obwohl konventionelle chirurgische Techniken ebenfalls zur Entfernung impaktierter überzähliger Zähne eingesetzt werden können, hängt ihr Erfolg stark von der Erfahrung des Chirurgen ab. Weicht die intraoperative Lokalisation von der tatsächlichen Zahnposition ab, kann eine übermäßige Knochenentfernung erfolgen, wodurch das Risiko von Verletzungen benachbarter Zahnwurzeln oder wichtiger anatomischer Strukturen steigt. Derzeit wurden verschiedene digitale Technologien auf die Entfernung impaktierter überzähliger Zähne angewandt und haben vorläufige Erfolge bei der genauen Lokalisation der Zahnposition, der Knochenerhaltung und der Verringerung von Komplikationen gezeigt. Diese Methoden weisen jedoch nach wie vor Einschränkungen auf, darunter hohe Zeitaufwände, teure Ausrüstung und Schwierigkeiten bei der breiten Anwendung.

Diese Studie schlägt ein auf einer Stereokamera basierendes, durch Augmented Reality unterstütztes Verfahren zum Entfernen eingeschlagener überzähliger Zähne vor. Präoperativ werden 3D-Modelle des überzähligen Zahns und der angrenzenden Zähne mithilfe von CBCT- und intraoralen Scan-Daten rekonstruiert. Durch eine markerlose AR-Registrierung wird das virtuelle Modell über das Live-Kamerabild gelegt, das in der AR-Navigationsanzeige dargestellt wird, und bietet dem Chirurgen so eine visuelle Referenz, um die Lage des eingeschlagenen überzähligen Zahns einzuschätzen. In diesem Workflow sind eine zufriedenstellende Registrierung von CBCT- und intraoralem Scan, eine stabile Erkennung der Zahnstellung sowie eine geeignete Anpassung des Kamerawinkels bei weitgehend konstanter Kameraposition entscheidende Schritte für eine erfolgreiche Umsetzung. Diese Schritte sind notwendig, um eine klare operative Sicht und eine stabile AR-Überlagerung zu erzielen. Daher sind ausreichende präklinische Schulung und wiederholtes Üben erforderlich, um eine zuverlässige präoperative digitale Planung und ein sicheres intraoperatives Handling des AR-Systems sicherzustellen. Im Vergleich zu Navigationsverfahren, die auf externen Markern oder physischen chirurgischen Schablonen basieren, erfordert diese Methode keine Platzierung zusätzlicher künstlicher Marker im Operationsfeld. Dies reduziert die Störung durch zusätzliche Registrierungshilfen im begrenzten intraoralen Raum und Operationsfeld und erhält gleichzeitig die natürliche Zahnform als Grundlage für die Registrierung. In diesem System werden Bilder des Operationsfelds durch eine Kamera erfasst, und die AR-Überlagerung wird auf einem Bildschirm angezeigt. Daher wird die Anwendung des Systems durch den Kamerawinkel, die Exposition des Operationsfelds und durch Instrumente verursachte Verdeckungen beeinflusst. Der labiale Zugang im vorderen Oberkieferbereich bietet in der Regel eine direktere Kameraperspektive und eine ausreichende Exposition des Operationsfelds. Weichteilverdeckungen und instrumentelle Behinderungen sind bei diesem Zugang relativ gering, was günstiger für die Aufrechterhaltung der Erkennung der Zahnkontur und der Stabilität der virtuell-real überlagerten Darstellung ist. Im Vergleich zur konventionellen Chirurgie kann dieses Verfahren dem Chirurgen helfen, die Gestaltung des Knochenfensters zu optimieren und den chirurgischen Zugang zu lokalisieren, wodurch das Risiko von Komplikationen möglicherweise verringert wird. Im Vergleich zu anderen digitalen Techniken weist dieses Verfahren eine relativ einfache Hardware-Konfiguration sowie gewisse Vorteile hinsichtlich Kosten und Arbeitsablauf auf.

Dieses Protokoll weist jedoch noch mehrere Einschränkungen auf. Im vorliegenden Fall wurde AR zur assistierten Lokalisierung des eingekeilten überzähligen Zahns eingesetzt, wobei die geschätzte Lokalisierungsposition als visueller Referenzpunkt zur Unterstützung der Schnittplatzierung und der Vorbereitung des Knochenfensters diente. Es bot jedoch keine präoperativ geplante Inzisionslinie, definierte Grenze des Knochenfensters, chirurgische Zugangsroute oder Zahnteilungsebene, was die Rolle der AR in diesem Arbeitsablauf in gewissem Maße begrenzte. In zukünftigen Fällen könnten die Planung der Inzisionslinie, die Definition der Knochenfenstergrenze, die Gestaltung der chirurgischen Zugangsroute sowie die präoperative Festlegung der Zahnteilungsebene in die präoperative digitale Planung integriert und intraoperativ mittels AR visualisiert werden, wodurch der Nutzen dieser Technik für die Planung des chirurgischen Zugangswegs und die operative Führung weiter gesteigert würde. Das AR-Navigationsbild basiert auf der kamerabasierten Erfassung des Operationsfelds, und Bildschärfe, Beleuchtungsverhältnisse, Kamerawinkel sowie die Exposition des Operationsfelds können alle die Erkennung der Zahnkontur und die Stabilität der Registrierung beeinflussen. Während des Eingriffs wird die Kamera unter sterilen Bedingungen von einer Assistentin oder einem Assistenten gehalten. Daher muss die relative Stabilität zwischen Kamera und Operationsfeld aufrechterhalten werden, um Abweichungen der Überlagerung durch Handzittern oder Änderungen des Blickwinkels zu vermeiden. Außerdem beruht die markierungsfreie Registrierungsmethode in diesem Protokoll auf der Kontur der Frontzähne. Chirurgische Instrumente, Absaugvorrichtungen oder Weichgewebe können die Sicht der Kamera verdecken und die Navigation unterbrechen. In solchen Fällen ist eine erneute Registrierung erforderlich, was den chirurgischen Arbeitsablauf beeinträchtigen kann. Darüber hinaus beobachtet der Chirurg die AR-Überlagerung hauptsächlich auf einem Bildschirm. Für Anfänger unterscheidet sich die zweidimensionale Bildschirmdarstellung von der natürlichen stereoskopischen Sicht des menschlichen Auges, was das Verständnis der räumlichen Beziehung zwischen dem virtuellen Modell und dem tatsächlichen Operationsfeld erschweren kann. Um diese Probleme zu lösen, können sowohl Schulungen als auch Systemoptimierungen vorgenommen werden. Erstens kann eine standardisierte Simulationsschulung mit 3D-gedruckten Modellen genutzt werden, um Chirurgen mit der Bildregistrierung, der Interpretation der virtuell-realen Überlagerung und der AR-gestützten Lokalisierung des Knochenfensters vertraut zu machen und so Lokalisierungsfehler aufgrund mangelnder Vertrautheit mit der Technologie zu reduzieren. Zweitens können die Verfolgungsalgorithmen und klinischen Anwendungsszenarien weiter optimiert werden. Beispielsweise kann nach Erreichen einer stabilen Registrierung die räumliche Beziehung zwischen der Zahnkontur und dem virtuellen Modell gesperrt werden, und die Position des virtuellen Modells kann in Echtzeit aktualisiert werden, sobald die Zahnmerkmale erneut sichtbar werden. Die Kamera kann außerdem mit einer mechanischen Halterung fixiert oder in ein Operationslicht integriert werden, um Vibrationen und die Belastung durch die manuelle Handhabung zu verringern.

Die auf einer Stereokamera basierende, AR-gestützte Methode zur Entfernung von eingeschränkten Überzahlzähnen bietet eine intuitive und vereinfachte visuelle Unterstützung für die intraoperative Lokalisation. Diese Methode weist bestimmte Vorteile hinsichtlich der Hardware-Konfiguration, des Arbeitsablaufs und der potenziellen klinischen Umsetzung auf. Die vorliegende Einzelfalldemonstration zeigt jedoch lediglich die Durchführbarkeit im klinischen Alltag, sodass bei ihrer klinischen Anwendung Vorsicht geboten ist. Weitere Studien mit größeren Stichprobenumfängen und multizentrischen Designs sind erforderlich, um die Genauigkeit der Lokalisation, die klinische Effizienz und die Sicherheit zu validieren. Angesichts der technischen Vorteile und der Zugänglichkeit der Ausrüstung könnte diese Methode zukünftig auch in primärmedizinischen Versorgungseinrichtungen Anwendung finden, wo der Zugang zu fortschrittlicher digitaler chirurgischer Ausrüstung oft begrenzt ist. Diese Studie demonstriert vorläufig die Machbarkeit der Anwendung dieser Technik zur Entfernung eingeschränkter Überzahlzähne und liefert eine methodische Grundlage für die Entwicklung eines standardisierten, AR-gestützten Extraktionsablaufs.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
0,5 % Povidon-Iod	N/V	N/V	Zur intraoralen und extraoralen Desinfektion vor der Operation verwendet.
3-0 nicht resorbierbare Seidennaht	Johnson (Suzhou) Medical Devices Co., Ltd.		Gewebenähte.
4 % Articainhydrochlorid mit Epinephrin			Zur Lokalanästhesie verwendet.
Kamera	Intal RealSense	D415	Wird verwendet, um das Echtzeit-Sichtfeld zur Erkennung des Markers aufzuzeichnen.
CBCT	Quantitative Radiology s.r.1.Verona, Italy	New Tom 3G	Wird verwendet, um Bilder des Zahns und der umgebenden Strukturen aufzuzeichnen.
Kürette	N/V	N/V	Wird verwendet, um den Zahnextraktionssockel auszukürettieren und restliches Dentalfollikelgewebe zu entfernen.
Zahnlift	N/V	N/V	Wird verwendet, um den geteilten Kronen- und Wurzelanteil zu lockern und zu entfernen.
E3D CMF	Hunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.	https://www.e3d-med.com/	AR-Navigationssoftware.
Geomagic Wrap 2021	3D Systems Corporation	Version 2021	Verarbeitung des intraoralen Scanmodells und Segmentierung der Frontzähne zur Verwendung als Registrierungsmarker.
Blutstillungstupfer	N/V	N/V	Wird zur kompressiven Blutstillung nach der Wundnaht verwendet.
Intraoralscanner	SHINING 3D	Aoralscan 3 CA3-C80046J04;https://www.shining3d.cn/	Wird verwendet, um digitale Daten des Zahnbezugs zu erfassen.
J45-LED-Chirurgiehandstück	Guangdong JINME Medical Technology Co., Ltd.	45-TUP; https://www.jinmedental.cn/	Entfernung des Knochens über dem überzähligen Zahn und Trennung der Krone von der Wurzel.
Laptop	Lenovo Group Limited	Legion Y7000 IRX9; Intel Core i7-13650HX CPU; NVIDIA GeForce RTX 4060 Laptop GPU, 8 GB GDDR6; 24 GB DDR5 RAM; 512 GB SSD.	Ausführung der AR-Software.
Mimics	Materialise	Version 21,0	Wird für die dreidimensionale Rekonstruktion verwendet.
Sterile Tücher	N/V	N/V	Wird verwendet, um Kopf, Gesicht und Hals abzudecken, wobei nur der Operationsbereich freigelegt bleibt.
Steriler Schlauch	N/V	N/V	Wird verwendet, um das Kameradatenkabel und die Miniaturhalterung während der intraoperativen Bildaufnahme abzudecken.
USB 3.0 Kabel	N/V	N/V	Wird verwendet, um die Kamera zur Bildaufnahme mit dem Laptop zu verbinden.