אמינות שילוב טומוגרפיה ממוחשבת מבוססת בינה מלאכותית של קרן חרוט עם תמונות שיניים דיגיטליות

טכנולוגיה דיגיטלית תלת ממדית (3D) הרחיבה את היקף האבחון והתכנון לטיפול אורתודונטי או כירורגי-אורתודונטי. ניתן להשתמש בראש וירטואלי הבנוי מתמונת טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט פנים (CBCT) כדי להעריך הפרעות דנטופציאליות ושיניים, לתכנן ניתוחים אורתוגנטיים, לייצר ופלים דנטליים ולהשתיל מדריכים כירורגיים באמצעות תכנון וייצור בעזרת מחשב 1,2,3,4. עם זאת, סריקות CBCT יש ייצוג נמוך של שיניים, כולל מורפולוגיה שיניים ויחסים interocclusal, אשר בשל הרזולוציה המוגבלת שלהם ואת הפסים artifacts משיקום שיניים או סוגריים אורתודונטיים⁵. לכן, התכונות הדנטליות הוחלפו בתמונות CBCT בתמונות שיניים דיגיטליות (DDI), כגון גבס סרוק או תמונות סריקה אינטרה-אוראלית.

לצורך אינטגרציה אמינה של DDI על תמונות CBCT, מחקרים רבים דיווחו על שיטות שונות כגון שימוש בסמנים פידוקיאליים ^{6,7, 8 מבוסס} ווקסל ורישומים מבוססי פני שטח (SBR) ^9,10. נהלים אלה כוללים את השיטות שלהם לשימוש בסמנים חוץ-אוראליים, סריקות CBCT מרובות ושלבי תהליך נוספים כגון ניקוי חפצי מתכת בתמונות CBCT. לגבי דיוק SBR, מספר מחקרים קודמים דיווחו על שגיאות שנעו בין 0.10 ל-0.43 מ"מ ^9,11. בנוסף, Zou et al. העריכו אמינות תוך / בין משקיף וטעויות בין מהנדס דיגיטלי לאורתודנט באמצעות SBR ודיווחו על הצורך בניסיון קליני ולמידה חוזרת¹⁰.

בינה מלאכותית (AI) שימשה לחיזוי תוצאות טיפול¹² ולדיגיטציה של ציוני דרך בצילומי רנטגן צפלומטריים¹³ או CBCT^תמונות 14,15,16, וכמה תוכנות מסחריות זמינות כיום כדי לסייע בתהליך זה ¹⁷. זיהוי מדויק של ציוני דרך אנטומיים בתמונות תלת-ממדיות הוא מאתגר בגלל העמימות של משטחים שטוחים או מבנים מעוקלים, אזורים בעלי צפיפות נמוכה והשונות הרחבה של המבנים האנטומיים.

אוטומציה מבוססת בינה מלאכותית שנלמדה על ידי מכונה יכולה להיות מיושמת לא רק לדיגיטציה אלא גם לשילוב של DDI ו- CBCT דנטופציאלי. עם זאת, יש מעט מחקר על הדיוק של רישום מבוסס AI (ABR) בהשוואה לשיטה הקיימת מבוססת פני השטח. כדי להשיג תוצאות מדויקות יותר של שינויים תלת-ממדיים בשלד ובשיניים באמצעות ניתוח אורתוגנאתי דו-מקסילרי, יש צורך להעריך את הדיוק של תוכניות מבוססות AI בעת מיזוג CBCT ו- DDI. לכן, מאמר זה מציג פרוטוקול שלב אחר שלב לדיגיטציה ושילוב CBCT ו- DDI עם רישום מבוסס AI (ABR) ולהעריך את אמינותו ויכולת השחזור שלו בהשוואה לזו של SBR.

מחקר רטרוספקטיבי זה נבדק ואושר על ידי מועצת הסקירה המוסדית של בית החולים בונדאנג של האוניברסיטה הלאומית בסיאול (B-2205-759-101) ועמד בעקרונות הצהרת הלסינקי. במחקר נעשה שימוש בקובצי Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) מ-CBCT ו-DDI בפורמט Standard Tessellation Language (STL) מגבס השיניים. הצורך בהסכמה מדעת בוטל בשל אופיו הרטרוספקטיבי של המחקר.

1. רכישת CBCT ותמונות דנטליות דיגיטליות (DDI)

1. בחר חולים על סמך קריטריוני ההכללה הבאים: חסימה מסוג III של השלד; ניתוח בימקסילרי באמצעות תכנון בעזרת מחשב; וטיפול אורתודונטי עם מכשירים קבועים.
2. אין לכלול מטופלים עם תסמונות גולגולתיות, שפה/חך שסועים, או טוחנות ראשונות מקסילריות חסרות או חותך מרכזי ימני.
3. קבל סריקות CBCT עם שדה ראייה של 200 מ"מ x 180 מ"מ, גודל ווקסל של 0.2 מ"מ, ותנאי חשיפה של 80 kVp, 15 mA ו- 10.8 שניות. ודא כי המטופלים נמצאים במצב זקוף עם שיניהם באינטראקציה מקסימלית. שמור את הסריקות כקבצי נתונים של הדמיה דיגיטלית ותקשורת ברפואה (DICOM).
4. רכוש DDIs מיציקות אבן דנטליות או סריקה אינטרה-אוראלית ישירה ושמור אותם בפורמט Standard Tessellation Language (STL) כשיניים מקסילריות ומנדיבולאריות נפרדות.

2. פרוטוקול רישום מבוסס AI (ABR)

1. ארגון מחדש ודיגיטציה של CBCT
   1. פתח את התוכנה ולחץ על הלחצן טען קובץ DICOM כדי לייבא קובצי CBCT DICOM לתוכנה.
   2. בחרו באחד מקובצי DICOM בתיקיית הנתונים DICOM ולחצו על הלחצן 'פתח'.
      הערה: כאשר קובצי DICOM נטענים, התוכנה משחזרת אותם באופן אוטומטי לנפח גולגולתי CBCT.
   3. לחצו על כפתור Reorientation בחלונית Landmark (איור 1).
   4. N (Nasion): לחץ על חריץ V של העצם הקדמית בתצוגה התלת-ממדית (איור 2). מיד לאחר הלחיצה, שימו לב שהנקודה הכחולה (מופעלת) הופכת לצלב אדום שיופיע גם במבט הצירי, הקשת והעטרה. לחץ על החצים המשולשים הכחולים קדימה ואחורה כדי לזהות את ציון הדרך.
      1. בתצוגת קשת, גלול את גלגל העכבר למעלה ולמטה כדי למצוא את הנקודה הקדמית ביותר שבה התפר הקדמי פוגש את עצמות האף והחזית ולחץ כדי לקבוע את המיקום האנכי והקדמי של ציון הדרך.
      2. בתצוגת העטרה, גלול את גלגל העכבר למעלה ולמטה כדי למצוא את הרגע רגע לפני שעצם האף נעלמת כדי להבטיח את הנקודה הקדמית ביותר ולחץ כדי לקבוע את המיקום האופקי של הנסיון.
      3. בתצוגה צירית, התאם את המיקום הקדמי כפי שהוא בנקודה הקדמית ביותר.
   5. R Or (Orbitale): לחצו על הנקודה הנחותה ביותר בשולי קו המתאר האורביטלי הימני במודל התלת-ממדי (איור 2).
      1. בתצוגת העטרה, גלול את גלגל העכבר למעלה ולמטה כדי למצוא את הנקודה הנמוכה ביותר בשוליים הנמוכים של המסלול הימני ולחצ.
      2. בתצוגת הסגיטל, לחץ על הנקודה העליונה ביותר של מבנה המקסילה הימני או העצם הזיגומטי המהווה את הגבול התחתון של המסלול.
      3. בתצוגה הצירית, גלול לאורך העכבר ולחץ כך שהצלב האדום ימוקם במקום שבו שפת מסלול העין נפגשת.
   6. L Or (Orbitale): לחץ על הנקודה הנחותה ביותר בשולי מתאר המסלול השמאלי במודל התלת-ממדי (איור 2) ושנה את הנקודה בשלוש התצוגות כמו בתהליך עבור R Or.
   7. R Po (פוריון): לחצו על הנקודה העליונה ביותר בקווי המתאר של הבשר השמיעתי החיצוני הימני במודל התלת-ממדי (איור 2).
      1. בתצוגת העטרה, לחץ על הנקודה הנמוכה ביותר של העצם הרקתית הימנית כדי לקבוע את המיקום האופקי והאנכי.
      2. בתצוגת sagittal, לחץ על הנקודה העליונה ביותר של קווי המתאר של meatus השמיעתי החיצוני הימני כדי להתאים את המיקום האנכי והקדמי-אחורי.
      3. בתצוגה הצירית, גלול בגלגל העכבר כדי ללחוץ במקום שבו מופיעה תעלת השמע החיצונית, שבה קו העצם הרקתית נעלם.
   8. L Po (פוריון): לחץ על הנקודה העליונה ביותר של קווי המתאר של המיטוס השמיעתי החיצוני השמאלי במודל התלת-ממדי (איור 2) ושנה את הנקודה בשלוש התצוגות הרב-מישוריות כמו בתהליך עבור R Po.
      הערה: חמשת ציוני הדרך הבסיסיים של השלד, כולל Nasion, אורביטלים ימניים ושמאליים, ונקבוביות ימין ושמאל במודל הגולגולתי המשוחזר (איור 2), מזוהים כעת.
   9. לחץ על כפתור בוצע כדי להשלים את הכיוון מחדש של מודל הגולגולת המשוחזר.
   10. לחץ על הלחצן Preliminary Landmark Picking בחלונית Landmark ובחר את קבוצת ציון הדרך Dentition I.
       הערה: קבוצות ציון דרך של בסיס גולגולתי, TMJ, שלד מקסילרי, שלד מנדיבולרי, דנטיציה I ורקמות רכות כבר נבחרו לניתוח קרניופציאלי.
   11. לחץ על כפתור Execute בחלונית Preliminary Landmark Picking ותן לתוכנה לבחור באופן אוטומטי ציוני דרך ראשוניים ולקבוע את הקואורדינטות שלהם.
   12. בעת שינוי ציוני הדרך, לחץ על כפתור בחירת ציון דרך ידני בכרטיסייה עוצמת קול , בצע את ההתאמות הדרושות ולחץ על כפתור סיום כדי לאשר (איור 3).

3. הליך מיזוג DDI

1. לחצו על כפתור Registration of Dentition Scan בחלונית Tools (איור 4).
2. בחר maxilla dentition ולחץ על טען כפתור בחלונית Dentition Registration.
3. בחר את קבצי STL של אותו מטופל עם מודל CBCT בתיקיה כדי לטעון קבצי STL שיניים maxilla. לאחר שקבצי STL פתוחים, חפש DDI בצד ימין של המסך וארבע תצוגות (תלת-ממד, צירית, קשת ועטרה) של CBCT בצד שמאל של המסך.
4. בחר את ציוני הדרך של הרישום ב- DDI הטעון: ה- mesiobuccal cusps של הטוחנת הראשונה המקסילרית הימנית (R U6CP), נקודת האמצע של החותכת המרכזית המקסילרית הימנית בקצה החתך (R U1CP), וה- mesiobuccal cusp של הטוחנת הראשונה המקסילרית השמאלית (L U6CP) (איור 5) על-ידי החלפת החצים המשולשים הכחולים קדימה ואחורה.
   הערה: לחץ באמצעות לחצן העכבר השמאלי וגרור את העכבר כדי לסובב את ה- DDI ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני וגרור כדי להגדיל ולהקטין את התצוגה. ציוני הדרך של הרישום מכוילים בו זמנית על ידי אוטומציה שנלמדה על ידי מכונה לאחר שעברו דיגיטציה ידנית.
5. לחץ על כפתור Done בחלונית Dentition Registration.
6. לחץ על כפתור כן כדי לאשר את הרישום האוטומטי (איור 6).
7. למיזוג שיניים מנדיבולאריות, בחר שיניים לסתות ולחץ על כפתור טען בחלונית רישום נטישה. חזור על שלבים 3.2 עד 3.6. בחר את ציוני הדרך הרשומים על השיניים המנדיבולאריות: הקצה המסיובוקי של הטוחנת הראשונה התחתונה הימנית/שמאלית (R-/L- L6CP), נקודת האמצע החותכת הראשונה התחתונה הימנית בקצה החתך (R L1CP).
8. ה-DDI מוזג כעת עם מודל CBCT המשוחזר (איור 7).
   1. בעת שינוי המיזוג, לחץ על כפתור בחירת ציון דרך ברישום בחלונית רישום דנטיישן (איור 8).

4. קבלת ערכי הקואורדינטות התלת-ממדיות (x, y ו-z) של כל ציון דרך

1. לחץ על כפתור בחירת ציון דרך ידנית בכרטיסייה עוצמת קול או לחץ על הכרטיסייה ניתוח כדי לקבל את ערכי הקואורדינטות התלת-ממדיות של ציוני הדרך. לייצוא נתונים, עבור אל כרטיסיית ניתוח → חלונית ייצוא נתונים, ולחץ על כפתור ציון דרך כדי לשמור את הנתונים כקובץ.
   הערה: מישור X (אופקי) הוא המישור העובר דרך הנסיון, במקביל למישור האופקי של פרנקפורט (FH) העובר דרך האורביטלס השמאלי והימני ופוריון הימני. מישור Y (midsagittal) ניצב למישור X, עובר דרך הנאסיון והבזיון. מישור Z (העטרה) מציב את המישור בניצב למישור האופקי ולמישור האמצעי-סגיטלי דרך הנאסיון (נקודת אפס; 0, 0 ו-0) (איור 9).

כאן תיארנו את תהליך האינטגרציה של CBCT ו- DDI באמצעות תוכנה מבוססת AI. כדי להעריך את אמינותו ואת יכולת השחזור, נערך מחקר השוואתי עם רישום מבוסס פני השטח (SBR). נקבע כי גודל מדגם מינימלי של עשרה נדרש לאחר ניתוח הספק תחת מתאם ρ H1 = 0.77, α = 0.05, והספק (1-β) = 0.8018. בסך הכל נחקרו 17 סטים של סריקות CBCT ותמונות שיניים דיגיטליות ממטופלים אורתוגנתיים בבית החולים בונדאנג של האוניברסיטה הלאומית בסיאול ממרץ 2016 עד אוקטובר 2019. כל תהליכי SBR ו- ABR עבור אותה אוכלוסייה חזרו פעמיים על ידי אותו בודק, תושב אורתודונטי שהוכשר בזיהוי ציוני דרך במשך יותר מ -1.5 שנים. SBR בוצע באמצעות פרוטוקול דומה לזה של כמה מחקרים קודמים 9,10 (איור 10). ההבדלים הממוצעים בערכי הקואורדינטות x, y ו-z של R-/L-U6CP ו-R U1CP לאחר שילובים חוזרים ונשנים עם כל תוכנית הוערכו. כל הנתונים נותחו סטטיסטית באמצעות תוכנת SPSS 22.0. המהימנות בקואורדינטות של ציוני הדרך נותחה בכל ABR, SBR, וביניהם כדי להעריך את יכולת השחזור באמצעות מתאם תוך-מעמדי (ICC)19.

האמינות התוך-צופה של ערכי קואורדינטות x-, y ו-z של R-/L-U6CP ו-R U1CP הייתה משמעותית וכמעט מושלמת עבור ABR (0.950 ≤-ICC ≤-0.998) ו-SBR (0.886 ≤-ICC ≤-0.997), בהתאמה (טבלה 1). הפרש המהימנות בערכי קואורדינטות y ו-z ברוב ציוני הדרך היה משמעותי והראה הסכמה כמעט מושלמת עד משמעותית בין SBR ו-ABR. עם זאת, ערכי קואורדינטות ה-x של R-/L-U6CP ו-R U1CP הציגו הסכמה בינונית, בינונית ונמוכה, בהתאמה, ולא היו משמעותיים.

כפי שניתן לראות בטבלה 2, ההבדלים הממוצעים של כל ערכי הקואורדינטות מהשילובים החוזרים לא היו שונים באופן משמעותי בכל שיטה. הבדלים אלה בקואורדינטות x נעו בין -0.005 ל- -0.098 מ"מ עבור ABR ובין -0.212 ל- 0.013 מ"מ עבור SBR. הם נעו בין -0.084 ל- -0.314 מ"מ בקואורדינטות y עבור ABR, ובין -0.007 ל- 0.084 מ"מ עבור SBR, ונעו בין -0.005 ל- 0.045 מ"מ בקואורדינטות z עבור ABR ובין -0.567 ל- 0.074 מ"מ עבור SBR. עם זאת, לא נמצאה משמעות בהבדל הממוצע בין הרישום הראשון והשני בין ה- ABR ל- SBR.

איור 1: כיוון מחדש של מודל גולגולתי. פעולה זו מופעלת על ידי לחיצה על כפתור Reorientation בחלונית Landmark. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: חמשת ציוני הדרך הבסיסיים לשינוי כיוון של מודל הגולגולת המשוחזר; אזיון, אורביטלים ימניים ושמאליים, ונקבוביות מימין ומשמאל. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: ציוני דרך והקואורדינטות שלהם לאחר בחירה אוטומטית ראשונית של ציוני דרך. ניתן לבצע ביקורות ושינויים של ציוני הדרך על ידי לחיצה על כפתור בחירת ציוני דרך ידנית בכרטיסייה עוצמת קול . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: התחלת מיזוג של תמונות שיניים דיגיטליות עם מודל קרניופציאלי בכיוון חדש. זה נעשה על ידי לחיצה על רישום של Dentition Scan כפתור בחלונית כלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: מיקום שלושת ציוני הדרך של הרישום על גבי תמונות השיניים הדיגיטליות הטעונות. הקוצים המזיובוקליים של הטוחנת הראשונה המקסילרית הימנית (R U6CP), נקודת האמצע של החותכת המרכזית המקסילרית הימנית בקצה החתך (R U1CP), והקוסם המזיובוקלי של הטוחנת הראשונה המקסילרית השמאלית (L U6CP). ציוני דרך אלה כוילו בו זמנית על ידי אוטומציה שנלמדה על ידי מכונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: אישור שלושת ציוני הדרך של הרישום בתמונות השיניים הדיגיטליות הטעונות וב-CBCT. השיניים המסיובוקליות הימניות והשמאליות של הטוחנות הראשונות המקסילריות (R U6CP, L U6CP) ונקודת האמצע של החותכת המרכזית העליונה הימנית (R U1CP). לחיצה על כפתור כן מבצעת את הרישום האוטומטי. קיצור: CBCT = טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: המודל הקרניופציאלי המשוחזר עם תמונת השיניים הדיגיטלית מוזג. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8: שינוי המיזוג. בעת שינוי המיזוג, לחץ על בחר ציון דרך הרשמה כפתור בחלונית רישום נטיישן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

תרשים 9: מישורי הייחוס של התוכנית. מישור X (אופקי) הוא מישור העובר דרך הנסיון, מקביל למישור האופקי של פרנקפורט (FH) העובר דרך אורביטלס השמאלי והימני ופוריון הימני. מישור Y (midsagittal) ניצב למישור X, עובר דרך הנאסיון והבזיון. מישור Z (העטרה) מציב את המישור בניצב למישור האופקי ולמישור האמצעי-סגיטלי באמצעות Nasion (נקודת אפס; 0, 0 ו-0). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 10: רישום מבוסס משטח של תמונות שיניים דיגיטליות מקסילריות בחלקים הדנטליים של תמונות CBCT משוחזרות. (א) לפני ו-(ב) אחרי המיזוג. ראשית, הנקודות הראשוניות נרשמו באמצעות השיניים החותכות המזויבוקליות של הטוחנות הראשונות המקסילריות ונקודת המגע של החותכות המרכזיות ב- CBCT וב- DDI. לאחר מכן, המשטח נרשם כדי להשיג אינטגרציה מדויקת יותר באמצעות אלגוריתם הנקודות הקרובות האיטרטיביות. קיצור: CBCT = טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט; DDI = תמונות שיניים דיגיטליות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

טבלה 1: אמינות בשלוש קואורדינטות של כל ציון דרך בעת שילוב CBCTs פנים ותמונות שיניים דיגיטליות בכל ABR ו- SBR וביניהם. *מבחן t זוגי; †מבחן t בלתי תלוי. ICC > 0.8/0.6/0.4/0.2 או ≤ 0.2 מייצגים חוזק טוב מאוד, טוב, מתון, הוגן או גרוע של הסכמה, בהתאמה. קיצורים: CBCT = טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט; AI = בינה מלאכותית; ABR = רישום מבוסס AI; SBR = רישום מבוסס פני שטח; CI = רווח בר-סמך; ICC= מקדם תוך מחלקתי. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

טבלה 2: ההבדלים הממוצעים בשלוש הקואורדינטות של כל ציון דרך מרישומים חוזרים ונשנים של CBCTs פנים ותמונות שיניים דיגיטליות עם ABR ו- SBR. Δ (1st-2nd), ההבדל הממוצע בקואורדינטות x, y ו- z של כל ציון דרך בין הרישום הראשון (1st) והשני (2nd) של DDI ותמונות CBCT פנים. *מבחן t זוגי; †מבחן t עצמאי; במבחן Wilcoxon Signed-rank. המשמעות נקבעה על P < 0.05. קיצורים: CBCT = טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט; AI = בינה מלאכותית; ABR = רישום מבוסס AI; SBR = רישום מבוסס פני שטח; S.D. = סטיית תקן. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

המחברים מצהירים כי אין ניגודי עניינים.