歯槽骨再建手術の仮想計画のためのデジタルハイブリッドモデル作成

サマリー

3次元(3D)仮想ハイブリッドモデルを作成するためのワークフローは、コーンビームコンピュータ断層撮影データセットと、X線画像セグメンテーション法と自由曲面表面モデリングを利用した口腔内光学スキャンに基づいて設計されています。デジタルモデルは、再建歯槽骨手術の仮想計画に使用されます。

要約

この記事では、X線画像のセグメンテーション、空間レジストレーション、自由曲面モデリングのシーケンスを利用して、仮想のハイブリッド3次元(3D)モデル取得について説明します。まず、コーンビームコンピュータ断層撮影データセットを半自動セグメンテーション法で再構築しました。歯槽骨と歯は異なるセグメントに分離されており、3D形態と歯周骨内欠損の局在を評価することができます。急性および慢性の歯槽堤欠損の重症度、程度、および形態は、隣接する歯に関して検証されます。仮想の複雑な組織モデルでは、歯科インプラントの位置を3Dで計画できます。IOSおよびCBCTデータの空間レジストレーションとそれに続く自由曲面モデリングにより、歯槽骨、歯、軟部組織を可視化したリアルな3Dハイブリッドモデルを取得できます。IOSとCBCT軟部組織の重ね合わせにより、無歯顎隆起の上の厚さは、下にある骨の寸法について評価できます。したがって、フラップの設計と外科的フラップ管理を決定でき、時折の合併症を回避できる可能性があります。

概要

歯科医療の技術的進歩により、外科的処置や補綴リハビリテーションのコンピューター支援治療計画とシミュレーションが可能になりました。デジタル歯科における3Dデータ取得に不可欠な方法は、(1)コーンビームコンピュータ断層撮影(CBCT)¹ と(2)口腔内光学スキャン(IOS)²の2つです。これらのツールを使用して、関連するすべての解剖学的構造(歯槽骨、歯、軟部組織)のデジタル情報を取得し、歯槽骨の再建手術を計画することができます。

コーンビーム技術は、1996年にイタリアの研究グループによって初めて導入されました。CBCTは、従来のコンピュータ断層撮影と比較して、大幅に低い放射線量と高い解像度を提供し、歯科および口^{腔外科で最も}頻繁に使用される3Dイメージングモダリティになりました3。CBCTは、さまざまな外科的処置(歯周再生手術、歯槽堤増強術、歯科インプラント埋入、顎矯正手術^{など)を計画する}ためによく使用されます1。CBCTデータセットは、2D画像と3Dレンダリングを提供するX線画像イメージングソフトウェアで表示および処理できますが、ほとんどのイメージングソフトウェアは、3D画像の再構成にしきい値ベースのアルゴリズムを使用します。閾値処理法は、ボクセル グレー値の間隔の上限と下限を設定します。これらの境界の間にあるボクセルは、3D でレンダリングされます。この方法により、迅速なモデル取得が可能になります。しかし、このアルゴリズムは解剖学的構造を金属アーチファクトや散乱と区別できないため、3Dレンダリングは非常に不正確であり、診断価値はほとんどありません^4,5。上記の理由から、歯科の多くの分野は、従来の2DX線写真(口腔内X線写真、パノラマX線)またはCBCTデータセットの2D画像^{に依存しています5}。私たちの研究グループは、オープンソースのX線画像処理ソフトウェア⁶を用いて、解剖学的にCBCTデータセットの3次元再^{構成を行う半}自動画像セグメンテーション手法を論文で発表しました7。この方法の助けを借りて、解剖学的構造が金属アーティファクトから区別され、さらに重要なことに、歯槽骨と歯を分離することができました。したがって、硬組織の現実的な仮想モデルを取得することができました。3Dモデルは、骨内歯周欠損症の評価や、再生歯周手術前の治療計画に使用されました。

口腔内光学表面スキャナーは、臨床状態(歯の臨床的被冠および軟部組織)に関するデジタル情報を提供します。これらのデバイスの本来の目的は、コンピューター支援設計(CAD)およびコンピューター支援製造(CAM^{)技術を使用して}歯科補綴物の計画と製造のために、患者のデジタルモデルを直接取得することでした8。しかし、用途が広いため、それらの使用は他の歯科分野ですぐに実装されました。顎顔面外科医は、IOSとCBCTを組み合わせてハイブリッドセットアップを行い、仮想骨切り術と顎矯正手術のデジタル計画に利用できます^9,10。歯科インプラント学は、おそらくデジタルプランニングとガイド付き実行を最も一般的に使用する分野です。ナビゲート手術は、インプラントの位置の誤りに関連するほとんどの合併症を排除します。CBCTデータセットとIOSの光造形(.stl)ファイルの組み合わせは、ガイド付きインプラント埋入および静的インプラント掘削ガイドの製造を計画するために日常的に使用されている^11,12。CBCTデータセットに重ね合わせた口腔内スキャンは、審美的なクラウン延長の準備にも使用されています¹³。ただし、軟部組織は、閾値アルゴリズムで再構築されたCBCTデータセットにのみ重ね合わされました。しかし、再生再建外科的介入と歯科インプラント埋入の正確な3D仮想計画を実行するには、患者の現実的な3DハイブリッドモデルをCBCTおよびIOSデータで構成する必要があります。

したがって、この記事では、再建歯槽骨外科的介入の前に、仮想手術計画のための現実的なハイブリッドデジタルモデルを取得するための段階的な方法を提示することを目的としています。

プロトコル

この調査は、ヘルシンキ宣言に完全に従って実施されました。原稿作成の前に、書面によるインフォームドコンセントが提供され、患者によって署名されました。患者は、プロトコルのデモンストレーションのためのデータ使用の許可を与えました。

1. 放射線画像処理

1. DICOMファイルをソフトウェアにロードします
   1. 医用画像ソフトウェアの最新バージョンをダウンロードして開きます。
      注意: ソフトウェアを開くと、ホーム画面が表示されます。
   2. サイドバーの [DICOM データの読み込み ] をクリックします。
      注:DICOMデータベースがポップアップし、以前にロードされたDICOMデータセットが表示されます。
      1. [ DICOM データベースに DICOM ファイルをインポート ] をクリックし、宛先フォルダーで DICOM データセットを選択して [ インポート] をクリックします。
         注:新しく追加されたDICOMデータセットは、スタディのリストに表示されます。
   3. スタディを選択し、ウィンドウ下部の ロード(Load )をクリックします。
      注:DICOMデータセットが開き、読み込まれたデータの4つのビュー(冠状、軸状、矢状、3D)が表示されます。ノードは左側に一覧表示されます。理論的には、記載された方法は、画質(ボクセルサイズ、アーチファクト)に関係なく、任意のCTまたはCBCTで実行することができる。しかし、より高品質なCBCT/CTスキャンのセグメンテーションプロセスはより簡単で、より高品質な3Dモデルを取得することができます。ボクセルサイズ:150 μm、陽極電圧:84 kV、管電流:40 mA、視野:8 x 5 cm。このプロセスはどの段階でも停止できます。終了する前に、必ずシーンを保存してください。保存するには、ツールバーの左側にある保存アイコンをクリックし、「シーンを保存」ウィンドウのボックスアイコンをクリックして「医療記録バンドル」(.mrb)として保存します。
2. ボリュームのレンダリングとボリュームのトリミング
   1. 対象領域(上顎または下顎)をトリミングして、ファイル サイズとレンダリング時間を短縮します。ツールバーの左側に表示されている モジュール バーをクリックすると、頻繁に使用するモジュールを示すスクロールダウンウィンドウが表示されます。
   2. ドロップダウンウィンドウから Volume Rendering モジュールを選択します。ボリュームレンダリングを表示するには、「ボリューム」バーの横にある 目の アイコンをクリックします。
   3. 目的のプリセットを選択してボリュームレンダリングを表示し、硬い組織がはっきりと見えるようになるまで「Shift」スライダーを動かします。
      注意: CBCTスキャンには、CT-Boneプリセットをお勧めします。
   4. 「有効にする」の横のボックスにチェックを入れ、「切り抜き」セクションの「ROIを表示」の横にある 目の アイコンをクリックして、ROI(関心領域)を表示します。
      注: すべての 2D ビューと 3D ビューでデータセットを囲むワイヤフレーム ボックスが表示されます。ボックスの側面をドラッグすると、ボリュームが目的の領域にトリミングされます。
   5. 「クロップボリューム」モジュールにアクセスして、クロップを完了します。元のデータセットを入力ボリュームとして選択します。
      注: 入力 ROI は、以前に作成された ROI に自動的に設定されます。
   6. [出力ボリューム] ドロップダウン バーから [ 新しいボリュームの作成 ] を選択して、新しい出力ボリュームを作成します。[詳細設定]セクションの[ 補間トリミング ]のチェックを外し、[ 適用]をクリックします。
      注:「データモジュール」に戻ると、新しいトリミングされたボリュームが新しいノードとして表示されます。
3. CBCTデータセットのセグメンテーション
   1. セグメント化のために セグメントエディター モジュールにアクセスします。
      注:セグメンテーションとは、CBCTデータセットに基づいて解剖学的構造の3D再構成を生成し、よりアクセスしやすい分析を可能にすることです。
   2. 以前に作成したクロップボリュームをアクティブなセグメンテーションの マスターボリューム として選択します。追加するには [+追加 ] をクリックし、セグメントを削除するには [-削除 ] をクリックします。それらが表す解剖学的構造に従って名前を変更します。
      注:歯槽骨とすべての歯は、セグメンテーション内の別々のセグメントになります
   3. 歯槽骨のセグメンテーションから始めます。エフェクトのリストから、「 レベルトレーシング」を選択します。このツールでは、選択したピクセルと同じ背景値を持つピクセルの領域をアウトライン化します。
   4. 2D ビューの 1 つでボーンの周囲にマウスをドラッグすると、選択した領域の周囲に黄色の線が表示され、 マウスの左ボタンを押して 、データセットの選択したスライスにセグメントを生成します。
      注: セグメンテーションは、どの 2D ビューでも実行できます。ただし、矢状方向と軸方向が最適です。
   5. ペイント ハンド ツールと Erase ハンド ツールを使用してセグメントを修正し、「レベル トレーシング」ツールがボーンのセクション全体の輪郭を描いていない場合や、スライスに存在するアーティファクトも含まれている場合は、間違いを修正します。

図1:矢状方向における半自動セグメンテーションツール「レベルトレーシング」の適用。(A) 同じ背景値を持つピクセルの領域を黄色の線で囲みます。 (B) 「レベルトレース」とその後の手動セグメンテーションの結果。 (C) 手動ツール(ペイント、消去)の助けを借りて半自動セグメンテーションを洗練させます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

注意: 数字キーを使用して、ツールをすばやく切り替えることができます。

6. 歯とインプラントの両方を骨セグメントから除外します。 消去 ツールを使用して歯とインプラントの輪郭を描き、それらを表すハイライトされたピクセルをすべて削除します。
7. 選択した向きのデータセットの 5^番目の スライスごとに同じプロセスを繰り返します。
   注: [ 3D を表示 ] をクリックすると、セグメンテーションが 3 次元で表示されます。スムージング係数スライダーを 0.00 に設定します。
8. このフェーズの完了時に欠落しているセグメントを計算し、効果リストから [スライス間の塗りつぶ し] を選択します。
   注: このツールは、モルフォロジー輪郭補間アルゴリズムを使用して以前に作成したセグメントに基づいて、欠落しているセグメントを計算します。
9. 初期化(Initialize)をクリックしてコンター補間をアクティブにし、満足のいく結果が得られたら適用(Apply)をクリックします。完了時にデータセットをスクロールして、時折の間違いを確認して修正します。

図2:「Fill Between Slices」による形態学的輪郭補間、セグメントの自動再構築された部分を示す薄緑色の領域。(A)軸方向図。(B)矢状図。(C)冠状の眺め。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

注: 補間が適用されているセグメントのみが表示されていることを確認してください。セグメントの表示は、セグメントリストで切り替えることができます。

10. スムージング効果を使用して突起を除去し、セグメントの境界を滑らかにします。スムージング方法として [中央値] を選択し、ブラケット内の mm 値を調整して [適用] をクリックすることで、[カーネル サイズ] を 5 x 5 x 5 ピクセルに設定します。
11. 歯槽骨のセグメンテーションが完了したら、歯のセグメンテーションについて同じ手順を繰り返します。

図3:完成したセグメンテーション、茶色のセグメントは骨を表し、青いセグメントは歯を表します。(A) 軸方向図。 (B) 矢状図。 (C) 冠状の眺め。 (D) 3Dモデルは、以前に作成したセグメントから自動的に生成されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

12. 「他のセグメントを修正」バーを「歯のセグメンテーション前に オーバーラップを許可 」に設定して、新しく作成されたセグメントが以前に作成されたセグメントを上書きしないようにします。

4. CBCTデータセットとIOSの空間登録
   注: CBCT データセットと IOS の座標系が異なるため、空間登録が必要です。
   1. 「表示」メニューバーから 「拡張機能マネージャー 」を選択し、「 拡張機能のインストール」をクリックします。右隅の検索バーに IGT と入力し、 SlicerIGT 拡張機能をインストールして、プログラムを再起動します。
   2. 以前に保存したシーンの .mrb ファイルをロードするには、[ データ ]アイコンをクリックし、[ 追加するファイルを選択]をクリックします。
   3. 左上隅にある [データ ]アイコンをクリックして、IOSの.stlファイルをインポートします。[Add data into the scene] ポップアップ ウィンドウで、[ 追加するファイルを選択] をクリックし、宛先フォルダーに移動し、IOS の .stl ファイルを選択して [ Open] をクリックします。
   4. ドロップダウンバーから セグメンテーション を選択して、口腔内スキャンの.stlファイルをセグメンテーションとして追加します。
      注:インストールされている「IGT」モジュールが「モジュール」ドロップダウンメニューに表示されます。
   5. モジュールの上にカーソルを移動し、表示されるサイドバーで [ Fiducial Registration Wizard] を選択します。
   6. [指標から] セクションと [指標へ] セクションの両方のドロップダウン バーから [ 新しいマークアップ指標の作成 ] を選択します。
      注: ソフトウェアは、2 つのリストに「From」と「To」という名前を自動的に付けます。「From」リストは、移動するボリュームを表し、この場合はIOSになります。「To」リストは固定ボリュームを表し、CBCTデータセットになります。
   7. 「From」セクションのドロップダウンバーの横にある「Place a markup point」アイコンを使用して、IOSの明確に定義された解剖学的ランドマークにマーカーポイントを配置します。マークアップ ポイントには、配置順に番号が付けられます。
      注意: 歯の尖端と切歯の端に少なくとも6点を配置します。
   8. マーカーを同じ位置に配置して、CBCTデータセット上で同じ順序で「宛先」リストを作成します。同じ番号のマークアップ ポイントは、同じ解剖学的ランドマークを表す必要があります。
   9. 2 つのリストの準備ができたら、サイドバーの [登録結果変換] セクションのドロップダウン メニューから [ 新しい LinearTransform の作成 ] を選択して、変換を作成します。
   10. 「変換」モジュールにアクセスし、以前に作成した変換を アクティブな変換として選択します。[Apply transform] セクションで、IOS セグメンテーションと [From] マークアップ リストを [Transformable] ボックスから [Transformed] ボックスに移動して、IOS を CBCT データセットに重ね合わせます。

図4:明確に定義された解剖学的ランドマークに基準マーカーを配置することによるIOSの空間レジストレーション。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

注: 必要に応じて、マークアップ ポイントを移動したり、ポイントを追加したりすることで、変換の精度を向上させることができます。

2. 自由曲面モデリング用のモデルを .stl ファイルとしてエクスポートする

1. 一致した硬組織モデルと軟組織モデルをエクスポートして、セグメンテーションと空間レジストレーション後にさらに表面モデリングを行います。
2. セグメンテーションモジュールに移動し、歯槽骨モデルと歯モデルを含むセグメンテーションをアクティブなセグメンテーションとして選択します。[ファイルにエクスポート]セクションまで下にスクロールし、宛先フォルダーを選択して、ファイル形式としてSTLを選択します。
3. [ 1 つのファイルにマージ ] チェックボックスをオフにし、[座標系] を [RAS] に設定して [エクスポート] をクリックします。
4. 別のセグメンテーションとして表示されるIOSに対して同じプロセスを繰り返し、シーンを保存して、イメージングソフトウェアを閉じます。

3. 自由曲面モデリング

1. サーフェスのスムージング
   1. CAD ソフトウェアを開き、ホーム画面で [インポート] をクリックします。以前にDICOM画像処理ソフトウェアからエクスポートされた.stlモデルを選択します。
      注: 以前にスムージングが実行された場合でも、CBCT データセットから再構築されたモデルの表面はピクセル化されたまま表示されるため、さらに表面のスムージングが必要です。
   2. メニュー バーの [Sculpt (スカルプト)] に移動し、ブラシ インベントリから [Adaptive reduce] を選択します。
      注:ブラシのサイズと強度は、スムージングの量に応じて調整する必要があります。
2. 歯冠をIOSから分離
   注:歯冠は、セグメント化されたモデルよりもIOSでより正確に表現されます。したがって、セグメント化された歯モデルのクラウンは、IOSのクラウンと交換する必要があります。
   1. サイドバーの「 選択 」をクリックし、選択ツールとして 「ブラシ 」を選択します。 アンラップブラシ ブラシモードを使用して、ブラシのサイズを調整します。ブラシを使用して、IOSの辺縁歯肉まで各歯のクラウンを選択します。
      注: 選択したサーフェスはオレンジ色で示されます。
   2. サイドバーの 「修正 」にカーソルを移動し、「 境界のスムーズ化 」を選択します。満足のいく結果が得られたら、[ 適用 ]をクリックします。
      注:これで、選択範囲の境界は辺縁歯肉に正確に従います。
   3. 「選択」サイドバーの「編集」に移動し、「分離」をクリックして、選択した領域から個々のオブジェクトを作成します。
   4. すべての歯に対して同じプロセスを繰り返します。
   5. メニュー バーの [ 分析 ] に移動し、 [検査] を選択します。
      注意: プログラムはモデルのエラーを示します。穴は青色でマークされています。
   6. 「穴埋めモード」として 「フラットフィル 」を選択し、「 すべて自動修復 」をクリックして、IOSモデルと分離された歯モデルから閉じたモデルを作成します。 スカルプト(Sculpt )に移動し、 シュリンクスムーズ(Shrinksmooth) ブラシを使用して塗り潰された穴のエッジを滑らかにします。
   7. すべての歯冠と残りのIOSについて、このプロセスを繰り返します。
3. 歯のクラウンをセグメント化された歯のモデルとマージします。
   メモ:空間レジストレーションが正しく行われた場合、IOSの歯冠とセグメント化された歯冠の位置は一致しているはずです。
   1. セグメント化された歯のモデルに、IOSから分離された歯冠で完全に覆われるまで、 シュリンクスムース ブラシを使用します。
      注:セグメンテーションとIOSの両方に欠陥があるため、クラウンが常に完全に重なるとは限りません。
   2. 分離したクラウンと、同じ歯のセグメント化されたモデルの両方を オブジェクトブラウザで選択します。表示されるサイドバーで、「 ブール和集合」を選択し、「 承認」をクリックします。
      メモ:現在、セグメント化された歯モデルのクラウンは、IOSから分離されたクラウンに置き換えられています。
   3. Shrinksmooth を使用して、トランジションをスムーズにします。
4. 減算とモデル構成
   1. 軟部組織モデルから骨モデルを差し引いて、臨床状況をリアルに表現します。
      注:歯のない元のIOSが軟部組織のモデルになりました。
   2. Object Browserで骨モデルと軟部組織モデルの両方を選択し、Boolean Differenceを選択します。
   3. シュリンクスムーズ(Shrinksmooth)ブラシでトランジションをスムーズにし、軟部組織モデルの底面から突起を取り除きます。
   4. 軟部組織モデルから歯を差し引くには、同じプロセスと滑らかな移行を使用します。
5. カラーモデル
   1. 歯、軟部組織、歯槽骨が互いに分離されたモデルが完成し、臨床状況を 3D で表現するため、モデルの表面に色を付けて、よりリアルな外観にします。
   2. サイドバーから Sculpt を選択し、小さなスライダーを Volume から Surface に切り替えます。
   3. ブラシインベントリから PaintVertex を選択し、サイドバーの [ 色 ] セクションのカラーホイールを使用して目的の色を選択します。各モデルの表面に色を付けます(例:骨:茶色、軟部組織:ピンク、歯:白)

アニメーション化された図1:最終的な色付きモデルのアニメーションで、仮想手術計画の準備が整いました。この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

結果

仮想許可3次元(3D)モデルは、X線画像セグメンテーション、空間レジストレーション、および自由形式のモデリングを使用して生成できます。モデルは臨床状況をデジタルで描写し、さまざまな外科的介入の3次元計画を可能にします。骨と歯を別々にセグメンテーションすることで、2つの解剖学的構造の境界が見え、3D形態と歯周骨内欠損の局在が評価されます。急性および慢性の歯槽堤欠損の重症度、程度、および形態は、隣接する歯に関して評価できます。医用画像処理ソフトウェアのインベントリに見られるさまざまな半自動セグメンテーションツール(図1)(図2)(エッジ検出ツール、形態学的輪郭補間アルゴリズムなど)は、セグメンテーションの期間を短縮します(図3)。しかし、歯と歯槽骨のボクセル強度値が似ているため、両者の分離は手作業で行う必要があり、時間がかかる場合があります。セグメンテーションプロセスは、CBCTスキャンに存在するアーチファクトによっても妨げられます。

ディスカッション

提示されたプロトコルでは、歯周病と歯槽骨の欠損形態を3次元(3D)で視覚化することができ、2D診断法や閾値アルゴリズムで生成された3Dモデルによって達成できるよりも正確な臨床状況の描写を提供します。このプロトコルは、(1)CBCTデータセットの半自動セグメンテーション、(2)CBCTとIOSの空間レジストレーション、(3)自由曲面モデリングの3つの主要なフェーズに分けることができます。技術的には、セグメンテーションは任意の3次元X線画像に対して実行できます。ただし、低品質のデータセットを再構築することはより困難です。したがって、より小さなボクセルサイズ(~120μm)、管電流(12mA)、およびアノード電圧(80kV)が推奨されます¹⁴。咬合面で大量の散乱が発生するため、CBCTイメージング中は咬合間空間を維持する必要があります。

半自動セグメンテーションプロセスの特定のステップは自動化されていますが、一部のアクションでは手作業によるセグメンテーションが必要であり、プロセスの所要時間が長くなります。セグメンテーションの時間枠を短縮する...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
3DSlicer	3DSlicer(ソフトウェアは最初にクイーンで開発されました。カナダの大学であり、オープンソースであるため、常に開発されています。s community)	4.13.0-2021-03-19	オープンソースの X 線画像処理ソフトウェア プラットフォーム。ソフトウェアは主に一般医療を対象としていますが、モデリングツールによる幅広いセグメンテーションにより、それが可能になります。歯科目的での使用も
Meshmixer	Autodesk Inc.	3.5	開発と基本的な3Dスカルプティング用に開発されたオープンソースのフリーフォームサーフェスモデリングソフトウェア。しかし、歯科用ツールの有用性により、3Dモデルだけでなく、手術をナビゲートするための静的ガイドも設計することができます。