Półautomatyczna planimetryczna kwantyfikacja płytki nazębnej za pomocą wewnątrzustnej kamery fluorescencyjnej

Podsumowanie

To badanie przedstawia półautomatyczną procedurę cyfrowej analizy obrazu do planimetrycznej kwantyfikacji ujawnionej płytki nazębnej na podstawie obrazów uzyskanych za pomocą wewnątrzustnej kamery fluorescencyjnej. Metoda ta pozwala na szybkie i wiarygodne określenie ilościowe płytki nazębnej w środowisku badawczym.

Streszczenie

Akumulacja płytki nazębnej jest określana ilościowo za pomocą wskaźników klinicznych lub, inaczej, planimetrycznego wskaźnika płytki nazębnej (PPI), który mierzy względną powierzchnię zęba pokrytą złogami płytki nazębnej. W porównaniu ze wskaźnikami klinicznymi, IPP ma większą moc dyskryminacyjną, ale tradycyjna planimetria jest czasochłonną analizą, ponieważ pokryte płytką nazębną i czyste obszary zębów muszą być określane ręcznie dla każdego obrazu za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu. W tym miejscu przedstawiamy metodę półautomatycznej planimetrycznej kwantyfikacji płytki nazębnej, która pozwala na szybkie przetwarzanie do 1000 obrazów jednocześnie. Metoda wykorzystuje zwiększony kontrast między ujawnioną płytką nazębną, zdrowymi powierzchniami zębów i tkankami miękkimi w obrazach fluorescencyjnych uzyskanych za pomocą kamery wewnątrzustnej. Staranne wykonanie procedur klinicznych i dokładna akwizycja obrazu są kluczowymi krokami dla udanej półautomatycznej identyfikacji obszarów pokrytych płytką miażdżycową. Metoda nadaje się do planimetrii na zdrowych powierzchniach zębów twarzy i jamy ustnej, na większości uzupełnień z żywicy kompozytowej oraz na zębach z zamkami ortodontycznymi, ale nie na uzupełnieniach metalowych. W porównaniu z tradycyjnymi zapisami PPI, półautomatyczna planimetria znacznie skraca czas poświęcony na analizę, a także subiektywny wkład człowieka, zwiększając w ten sposób odtwarzalność pomiarów planimetrycznych.

Wprowadzenie

Kwantyfikacja płytki nazębnej w środowisku badawczym jest przeprowadzana za pomocą wskaźników klinicznych lub, inaczej, poprzez rejestrację wskaźnika płytki planimetrycznej (PPI)¹. Wskaźniki kliniczne, takie jak zmodyfikowany przez Turesky'ego indeks płytki Quigleya-Heina, opierają się na wizualnej ocenie pokrycia płytki przez operatora, a następnie przypisaniu wyniku na skali porządkowej². Podczas gdy punktacja jest szybka, użycie wskaźników klinicznych wymaga pracochłonnej kalibracji między egzaminatorami i wewnątrz egzaminatorów, a ocena zawsze cierpi z powodu pewnego stopnia subiektywności^3,4,5. Ponadto, ponieważ liczba wyników jest ograniczona, wskaźniki kliniczne mogą nie wykrywać istotnych różnic w pokryciu blaszki miażdżycowej⁶.

Dla zapisów planimetrycznych, zakres pokrycia płytki nazębnej jest określany na obrazach cyfrowych, dzieląc obszar pokryty płytką przez całkowitą powierzchnię powierzchni zęba⁷. Zastosowanie skali ciągłej zwiększa dokładność i wykazuje dużą moc dyskryminacyjną w analizie statystycznej^8,9,10. Co więcej, można argumentować, że planimetria jest mniej subiektywna, ponieważ wskaźnik jest obliczany, a nie szacowany przez egzaminatora¹¹. Tradycyjnie, pokryte płytką nazębną i całkowite obszary zębów były określane ręcznie dla zapisów PPI poprzez rysowanie obszarów zainteresowania na każdym obrazie za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu^7,12. W związku z tym analiza planimetryczna była wcześniej bardzo czasochłonna, co ograniczało jej zastosowanie w większych badaniach klinicznych⁶.

Na tradycyjnych obrazach w białym świetle, kontrast między obszarami pokrytymi płytką nazębną, czystymi obszarami zębów i otaczającymi tkankami jest słaby, a zatem automatyczne przetwarzanie obrazu, które zazwyczaj opiera się na wykrywaniu obiektów na podstawie intensywności, jest poważnie utrudnione^13,14. Obrazy uzyskane za pomocą kamery fluorescencyjnej wykazują znacznie zwiększony kontrast między odsłoniętą płytką nazębną, czystymi zębami, które silnie fluoryzują automatycznie w zielonym spektrum, a niefluorescencyjnymi tkankami miękkimi¹.

Tutaj prezentujemy metodę półautomatycznej planimetrii, która znacznie skraca czas poświęcony na analizę obrazu w porównaniu do tradycyjnych zapisów PPI. Metoda wykorzystuje standardowe procedury ujawniania, dostępną na rynku kamerę fluorescencyjną oraz darmowe oprogramowanie do analizy obrazu. Omówiono parametry istotne dla akwizycji i analizy obrazu, a także typowe błędy i ograniczenia metody.

Protokół

Badanie zostało zatwierdzone przez Komitet Etyczny Regionu Midtjylland (1-10-72-259-21) i przeprowadzone zgodnie z Deklaracją Helsińską i jej poprawkami.

1. Wykonanie przekładki na zamówienie (opcjonalnie)

UWAGA: Podczas pozyskiwania obrazu można użyć specjalnie zaprojektowanej w 3D przekładki w celu ujednolicenia pozycji głowicy kamery. Przekładka nie jest obowiązkowa do rejestrowania obrazów fluorescencyjnych.

1. Konstrukcja elementu dystansowego
   1. Zaprojektuj element dystansowy pasujący do głowicy kamery fluorescencji wewnątrzustnej. W tym celu należy wykonać skanowanie głowicy aparatu za pomocą skanera cyfrowego. Zaimportuj skan do dedykowanego oprogramowania.
   2. Zaprojektuj element dystansowy tak, aby pasował do głowicy kamery o pożądanej morfologii i odległości pozycjonowania od głowicy kamery (tj. 4 mm). Eksport jako plik STL (przykładowy projekt jest dołączony jako plik uzupełniający S1).
2. Produkcja addytywna przekładki
   1. Otwórz oprogramowanie do wytwarzania przyrostowego skojarzone z drukarką i wybierz ustawienia podstawowe. Kliknij Drukarka | Wybierz dostępną drukarkę 3D | Następny | Kształt: Przezroczysty | Następny | Tryb drukowania: 50 mikronów | Następny | Styl budowy: Standardowy | Następny.
   2. Zaimportuj plik STL, klikając Plik | Import | Wybierz punkt menu STL file | Otwarty.
   3. Określ położenie przekładki na platformie drukowania; kliknij przycisk Przekształć i przeciągnij przekładkę do narożnika platformy jak najbliżej powierzchni platformy.
   4. Aby wydrukować dodatkowe przekładki, kliknij Kopiuj | Wzór liniowy. Dostosuj liczbę i odległość, aby dopasować dodatkowe obiekty do platformy drukowania, a następnie kliknij Ustaw.
   5. Aby zaprojektować podporę obiektów, kliknij na Inteligentne wsparcie | Styl: Ogólny | Generuj | Typ: Brama | Utwórz wsparcie.
   6. Wyślij zadanie drukowania do drukarki 3D. Kliknij Dodaj do kolejki. Oprogramowanie automatycznie przeprowadza kontrolę jakości pliku STL w celu zidentyfikowania błędów podczas dodawania do kolejki. Następnie kliknij Dodaj do kolejki | Nazwa zadania | F4X | Dodaj do kolejki.
   7. Zamontuj czystą platformę do drukowania na drukarce 3D i dodaj odpowiednią żywicę. Kliknij przycisk Rozpocznij zadanie i zeskanuj kod QR żywicy. Upewnij się, że platforma robocza jest pusta i czysta, że taca na żywicę jest pełna i że żywica została wymieszana przed dodaniem. Kliknij przycisk Rozpocznij zadanie.
   8. Po zakończeniu zadania drukowania zdejmij podkładki dystansowe z platformy roboczej.
   9. Przekładki należy czyścić w kąpieli ultradźwiękowej z izopropanolem przez 3 minuty. Powtórzyć czyszczenie przy użyciu świeżego izopropanolu. Wysuszyć przekładki na powietrzu.
   10. Zabezpiecz całkowitą polimeryzację materiału poprzez polimeryzację przekładek w piecu do utwardzania przez 10 minut.
   11. Usuń materiał nośny i zabejcuj przekładki, aby zapobiec przenikaniu światła przez materiał.

2. Ujawnianie płytki nazębnej i pozyskiwanie obrazu

1. Zamontuj specjalnie wykonany dystans na kamerze fluorescencyjnej (opcjonalnie). Podłącz kamerę wewnątrzustną do komputera i otwórz oprogramowanie kamery.
2. Kliknij na Pacjent | Nowy pacjent, aby utworzyć pacjenta w systemie. Wypełnij informacje o pacjencie. Kliknij na Pacjent | Zapisz, aby zapisać dane pacjenta. Kliknij Wideo. Kamera wewnątrzustna jest teraz gotowa do użycia.
3. Przyciemnij światła w pokoju.
4. Nałóż czerwony barwnik ujawniający (tj. 5% erytrozyny) z bawełnianym granulem na interesujące powierzchnie zębów, aby odsłonić płytkę nazębną.
5. Poinstruuj pacjenta, aby spłukiwał wodą przez 10 sekund w celu usunięcia nadmiaru barwnika. Usuń wszelkie plamy dziąseł za pomocą bawełnianego granulatu. Suszyć każdy ząb na powietrzu przez 3 sekundy.
6. Umieść kamerę wewnątrzustną w pozycji poziomej przed interesującym Cię zębem, tak aby przekładka dotykała dziąsła/sąsiednich zębów. Uzyskaj obraz fluorescencyjny, naciskając przycisk aparatu.
   UWAGA: Upewnij się, że cała powierzchnia zęba będąca przedmiotem zainteresowania jest ostra i uchwycona na obrazie bez uwzględniania antagonistycznych lub przeciwległych powierzchni zębów.
7. Powtórz kroki 2.4-2.6 dla wszystkich zębów będących przedmiotem zainteresowania.
8. Zaznacz wszystkie obrazy w oprogramowaniu aparatu. Kliknij Zapisz obrazy/filmy w menu.
   UWAGA: Upewnij się, że obrazy są zapisane w trybie "płytki", a nie w trybie "próchnicy". Symbol P/C w menu wskazuje aktualny tryb.
9. Aby wyeksportować obrazy, przejdź do przeglądarki. Wybierz obrazy do wyeksportowania. Kliknij Plik | Eksport (zapisz jako...) | Wszystkie obrazy pacjenta, aby wyeksportować obrazy. W oknie eksportu wybierz następujące ustawienia: Tryb: Standardowy | Ścieżka eksportu: Wybierz żądany folder | Wybór typu obrazu: Zaznacz pole po lewej stronie | Stan obrazu: Dane oryginalne. Rozwiń okno eksportu, aby wyświetlić więcej opcji. Wybierz następujące opcje: Nazwa pliku zawiera: Numer karty LUB Dane wprowadzone przez użytkownika OR Imię i nazwisko pacjenta | Format: TIF. Kliknij OK, aby wyeksportować obrazy.
   1. Możesz też skonfigurować automatyczny eksport plików przed obrazowaniem. Kliknij Opcje | Pokaż konfigurację | Moduły | Przeglądarka | Eksport/Poczta e-mail | Opcje eksportu | Tryb: Automatyczny eksport| Ścieżka eksportu: Wybierz żądany folder | Stan obrazu: Dane oryginalne. Wybierz następujące opcje: Nazwa pliku zawiera: Numer karty LUB Dane wprowadzone przez użytkownika OR Imię i nazwisko pacjenta | Format: TIF. Kliknij OK, aby skonfigurować domyślne ustawienia eksportu. Po skonfigurowaniu automatycznego eksportu plików obrazy zostaną automatycznie wyeksportowane po zapisaniu (krok 2.8).

3. Cyfrowa analiza obrazu

UWAGA: Cyfrowa analiza obrazu może być przeprowadzona w dowolnym momencie po akwizycji obrazu. Równolegle można przetwarzać partie do 1 000 obrazów fluorescencyjnych. Jeśli analiza dużych partii obrazów przekracza moc obliczeniową, rozmiar obrazu może zostać zmniejszony przed analizą.

1. Kwantyfikacja całkowitej powierzchni zęba
   1. Zmień nazwy wszystkich obrazów na kolejne numery indeksów (np. Planimetry_001, Planimetry_002,...). Zaimportuj serię obrazów fluorescencyjnych do dedykowanego oprogramowania do analizy obrazu (tj. Daime¹⁵) w trybie czerwono-zielono-niebieskim (RGB), klikając Plik | Importowanie obrazów | Importuj jako kolor.
   2. Wykonaj segmentację serii obrazów na podstawie wartości progowych, klikając Segment | Automatyczna segmentacja | Próg niestandardowy. Ustaw próg "Niski" powyżej intensywności tkanek miękkich jamy ustnej (tj. 80). Pozostaw "Wysoki" próg na poziomie 255. W ten sposób tylko zęby (zarówno czyste, jak i pokryte płytką nazębną) są rozpoznawane jako obiekty w oprogramowaniu. Kliknij Zastosuj | Zgadzam się | Segment! , aby zainicjować segmentację.
   3. Otwórz wizualizator, klikając dwukrotnie nazwę serii obrazów. Wejdź do edytora obiektów (OBJ). Przeprowadź wizualną kontrolę jakości podzielonych na segmenty obrazów i usuń artefakty, odrzucając i usuwając takie obiekty.
   4. Scal pozostałe obiekty na wszystkich obrazach (We wszystkich obrazach | Scal wybrane obiekty). Teraz na jednym obrazie jest jeden obiekt. Określ ilościowo całkowitą powierzchnię zęba na każdym obrazie (Analiza | Mierzenie obiektów | Wyczyść wszystko | Piksele). Eksportuj dane.
2. Kwantyfikacja obszarów pokrytych płytką nazębną
   1. Zaimportuj ponownie serię obrazów fluorescencyjnych do oprogramowania, tym razem z podzielonymi kanałami koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego (punkt menu Plik | Importowanie obrazów | Importuj jako szary). Zamknij obrazy kanału niebieskiego. Przenieś warstwę obiektów z obrazów RGB na obrazy kanału czerwonego (punkt menu Segment | Przenieś warstwę obiektu).
   2. Usuń piksele niebędące obiektami na obrazach kanału czerwonego za pomocą edytora obiektów (W sekcji Wszystkie obrazy | Usuń piksele niebędące obiektami (woksele)). Tkanki miękkie są teraz usuwane z obrazów.
   3. Aby zwiększyć kontrast między obszarami zębów pokrytymi płytką nazębną a czystymi, pomnóż serię obrazów z kanałem czerwonym przez współczynnik dwa (Edycja | Kalkulator obrazów | Mnożenie | Parametry: Współczynnik 2,00 | Złóż wniosek | Dobrze).
   4. Aby usunąć czyste obszary zębów z obrazów, odejmij serię obrazów kanału zielonego od serii obrazów kanału czerwonego (Edycja | Kalkulator obrazów | Obrazy drugiego operandu: Planimetry_green | Odejmowanie | Złóż wniosek | Dobrze).
   5. Aby zidentyfikować obszary pokryte płytką nazębną na zębach, należy przeprowadzić segmentację wynikową serii obrazów na podstawie progów (Segment | Automatyczna segmentacja | Próg niestandardowy). Ustaw próg "Niski" powyżej intensywności czystych obszarów zębów (tj. 80). Pozostaw "Wysoki" próg na poziomie 255. Tylko obszary pokryte płytką nazębną są rozpoznawane jako obiekty w oprogramowaniu. Kliknij Zastosuj | Zgadzam się | Segment! , aby zainicjować segmentację.
   6. Przeprowadzanie wizualnej kontroli jakości podzielonych na segmenty obrazów w edytorze obiektów i usuwanie artefaktów przez odrzucanie i usuwanie takich obiektów. Scal pozostałe obiekty na wszystkich obrazach (We wszystkich obrazach | Scal wybrane obiekty). Określ ilościowo obszar pokryty płytką nazębną na każdym obrazie (Analiza | Mierzenie obiektów | Wyczyść wszystko | Piksele). Eksportuj dane.
   7. Otwórz wyeksportowane tabele danych w dedykowanym oprogramowaniu. Obliczyć PPI zgodnie z równaniem (1):
      Równanie (1)

Wyniki

Przedstawiona metoda pozwala na szybką, półautomatyczną planimetryczną kwantyfikację obszarów pokrytych płytką nazębną na zębach (Rysunek 1). Złogi płytki nazębnej są wizualizowane przez erytrozynę, podczas gdy czyste obszary zębów, jak również nabyta błonka, pozostają nieprzebarwione¹⁶ (Rysunek 2A). Gdy obrazy są rejestrowane za pomocą kamery fluorescencyjnej, kontrast między czystymi obszarami zębów, obszarami pokrytymi płytką nazębną i otaczającymi tkankami miękkimi jest znacznie zwiększony (Rysunek 2B, C). Kamera fluorescencyjna działa z dwoma oknami detekcji, jednym w zielonym i jednym w czerwonym spektrum. W porównaniu z czystymi obszarami zębów, obszary pokryte płytką nazębną wydają się nieco jaśniejsze w czerwonym kanale (Rysunek 2D, E). W kanale zielonym autofluorescencja zęba jest znacznie zamaskowana w obszarach pokrytych płytką nazębną (Rysunek 2F). Ten efekt maskowania jest wykorzystywany podczas analizy obrazu, gdy obrazy kanału zielonego są odejmowane od obrazów kanału czerwonego (Rysunek 2G). Silny kontrast między czystymi i pokrytymi płytką nazębną obszarami na powstałych obrazach (Rysunek 2H) pozwala na półautomatyczne określenie PPI w oparciu o próg intensywności. Jednocześnie można przetwarzać do 1 000 obrazów fluorescencyjnych.

Specjalnie wykonany dystans wydrukowany w 3D może być użyty do poprawy standardowego ustawienia głowicy kamery w identycznej odległości od interesującego nas zęba. Przekładka osłania również ząb przed światłem otoczenia, a tym samym zwiększa kontrast między odsłoniętą płytką nazębną, czystymi obszarami zębów i otaczającymi tkankami miękkimi na pozyskanych obrazach. Dystans jest montowany na głowicy kamery za pomocą trzech elementów mocujących (Rysunek 3).

Opisana metoda może być używana do planimetrycznych zapisów płytki nazębnej i kamienia nazębnego zarówno na powierzchni twarzy jak i na powierzchni zębów ustnych (Rysunek 4A-D). W zależności od krzywizny łuku zębowego może być trudno ustawić przekładkę w bliskim kontakcie z dziąsłami, a tym samym zachować tę samą odległość między głowicą kamery a zębem. Ponieważ pokrycie obszaru płytki nazębnej jest określane w stosunku do całkowitej powierzchni zęba, jest mało prawdopodobne, aby takie różnice miały wpływ na zapisy PPI. Materiały o różnych kolorach zębów fluoryzują w zielonym widmie z różną intensywnością^17,18,19. W związku z tym PPI można zwykle określić za pomocą standardowego algorytmu analizy obrazu na zębach z cementami szkło-jonomerowymi i uzupełnieniami z żywicy kompozytowej (Rysunek 4E-H). W przeciwieństwie do tego, uzupełnienia amalgamatowe i odlewane zwykle słabo emitują zarówno w kanale czerwonym, jak i zielonym, a zatem nie jest możliwe określenie pokrycia płytką nazębną na takich powierzchniach (Rysunek 4I,J). To samo dotyczy metalowych zamków ortodontycznych, ale ponieważ powierzchnia zamka jest zwykle wyłączona z zapisów PPI, półautomatyczna planimetria jest odpowiednia dla pacjentów ortodontycznych (Rysunek 4K, L).

Udana półautomatyczna identyfikacja obszarów pokrytych płytką nazębną na obrazach fluorescencyjnych jest w dużym stopniu zależna od starannego wykonania wszystkich etapów procedury klinicznej. Jeśli do obrazów wpada zbyt dużo światła otoczenia, zwiększa się jasność tła w kanale czerwonym, co utrudnia rozróżnienie między zębami a tkankami miękkimi (Rysunek 5A,B). Dlatego światła w pomieszczeniu muszą być przyciemnione podczas robienia zdjęcia. Jeśli pacjent nie otworzy wystarczająco ust podczas akwizycji obrazu, zęby antagonistyczne mogą zostać zobrazowane wraz z zębem będącym przedmiotem zainteresowania i utrudnić półautomatyczne przetwarzanie (Rysunek 5C). Gdy planimetria jest wykonywana na zębach przedtrzonowych lub trzonowych, ważne jest prawidłowe kątowanie kamery, aby uniknąć obrazowania części powierzchni zgryzowej (Rysunek 5D, E). Po ujawnieniu osadów płytki nazębnej operator powinien natychmiast przystąpić do akwizycji obrazu. W przeciwnym razie erytrozyna może zostać wypłukana, a kontrast między pokrytymi płytką nazębną a czystymi obszarami zębów może stać się zbyt słaby. Jednak w niektórych przypadkach roztwór wypuszczający może silnie zabarwić dziąsło, a plama może nie zostać usunięta podczas następnego płukania (Rysunek 5F). Aby uniknąć przeszacowania obszaru pokrytego płytką nazębną, plamę można zmniejszyć poprzez dodatkowe płukanie lub delikatne przetarcie dziąsła bawełnianym granulem.

Rysunek 1: Przepływ pracy do półautomatycznego oznaczania ilościowego pokrycia płytki nazębnej na powierzchniach zębów. Skrót: PPI = planimetryczny wskaźnik płytki nazębnej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Procedura cyfrowej analizy obrazu. (A) Obraz w świetle białym odsłoniętej płytki nazębnej (ząb 26, aspekt twarzy). (B) Odpowiedni obraz uzyskany kamerą fluorescencyjną (tryb czerwono-zielono-niebieski [RGB]). Zwróć uwagę na zwiększony kontrast między obszarami zębów pokrytymi płytką nazębną a czystymi. (C) Całkowita powierzchnia zęba, oznaczona pomarańczowym konturem, jest identyfikowana za pomocą segmentacji opartej na progu intensywności. (D) Warstwa obiektu z obrazu RGB jest przenoszona na obraz kanału czerwonego (pomarańczowy kontur), a piksele niebędące obiektem (tło, tkanki miękkie) są usuwane. (E) Jasność obrazów kanału czerwonego zwiększa się dwukrotnie. (F) Obraz kanału zielonego. Zwróć uwagę na zmniejszoną autofluorescencję w obszarach pokrytych płytką nazębną. (G) Po odjęciu obrazu kanału zielonego (F) od zmodyfikowanego obrazu kanału czerwonego (E), widoczny jest kontrast między obszarami pokrytymi płytką nazębną a czystymi obszarami zębów. (H) Po segmentacji opartej na progu intensywności, obszary pokryte płytką są identyfikowane jako obiekty (pomarańczowy kontur), a następnie można obliczyć wskaźnik płytki planimetrycznej (PPI) (PPI = 81,6%). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Przekładka wykonana na zamówienie. Wykonana na zamówienie przekładka oglądana z (A) przodu, (B) boku i (C) tyłu. (D) Kamera fluorescencyjna z zamontowanym dystansem (pomarańczowy kontur). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Zastosowania i ograniczenia półautomatycznej planimetrii. (A) Obraz fluorescencyjny powierzchni zęba twarzy. (B) Odpowiedni przetworzony obraz przedstawiający obszary pokryte płytką nazębną (pomarańczowy kontur; wskaźnik płytki planimetrycznej [PPI] = 51,9%). (C) Obraz fluorescencyjny powierzchni zęba jamy ustnej. (D) Odpowiedni przetworzony obraz przedstawiający obszary pokryte płytką (pomarańczowy kontur; PPI = 14,5%). (E-H) Obrazy zębów z uzupełnieniami z żywicy kompozytowej. Odbudowa w E silnie fluoryzuje w zielonym spektrum, podczas gdy odbudowa w G wydaje się nieco słabsza niż otaczające ją czyste obszary zębów. Na obu obrazach PPI można określić za pomocą standardowego algorytmu analizy obrazu. (F,H) Przetworzone obrazy przedstawiające obszary pokryte płytką nazębną (pomarańczowe kontury; PPI = odpowiednio 20,3% i 20,2%). (I,J) Obrazy fluorescencyjne zęba z uzupełnieniem amalgamatowym (I) oraz zęba z koroną metalowo-ceramiczną (J, niebieski obrys, dodawany ręcznie). Oba uzupełnienia są niefluorescencyjne, a złogi płytki nazębnej nie mogą być określone ilościowo za pomocą półautomatycznej planimetrii. (K) Obraz fluorescencyjny zęba z metalowym zamkiem ortodontycznym. Ponieważ przedział jest wyłączony z analizy, PPI można określić za pomocą standardowego algorytmu analizy obrazu (L, pomarańczowy kontur, PPI = 31,5%). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Wpływ procedur klinicznych na jakość obrazu i wyniki półautomatycznej planimetrii. (A) Obraz fluorescencyjny uzyskany przy przyciemnionym oświetleniu pomieszczenia. Całkowita powierzchnia zęba jest określana prawidłowo po segmentacji obrazu na podstawie progu (pomarańczowy kontur). (B) Obraz fluorescencyjny tego samego zęba uzyskany przy włączonym świetle w pokoju. Ze względu na zwiększoną emisję tła w widmie czerwonym, segmentacja oparta na progach nie pozwala na dokładne rozróżnienie powierzchni zębów i otaczających tkanek miękkich (pomarańczowy kontur). (C) Obraz fluorescencyjny uzyskany przy niewystarczającym otwarciu ust. Nieujawnione zęby antagonistyczne są widoczne na obrazie, a tym samym wchodzą w całkowitą powierzchnię zęba (pomarańczowe kontury). Aby uzyskać prawidłowy wskaźnik płytki planimetrycznej, należy je usunąć ręcznie podczas analizy obrazu. (D) Obraz fluorescencyjny uzyskany przy optymalnym ustawieniu głowicy kamery. Całkowita powierzchnia zęba (pomarańczowy kontur) jest ograniczona do aspektu twarzowego. (E) Obraz fluorescencyjny zęba w D uzyskany przy nieoptymalnym kątowaniu głowicy kamery. Część powierzchni zgryzu zostaje wychwycona, co skutkuje zwiększeniem całkowitej powierzchni zęba (pomarańczowy kontur). (F) Obraz w świetle białym odsłoniętej płytki nazębnej z wyraźnym zabarwieniem dziąsła. Wysoka emisja w widmie czerwonym może prowadzić do przeszacowania obszaru pokrytego płytką nazębną. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Plik uzupełniający S1: Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Przedstawiona metoda półautomatycznej planimetrii opartej na obrazach fluorescencyjnych stanowi poprawę kwantyfikacji płytki nazębnej na zdrowych powierzchniach zębów w środowisku badawczym w porównaniu z tradycyjną planimetrią²⁰. Półautomatyczna planimetria pozwala na jednoczesne określenie PPI na maksymalnie 1000 obrazów przy użyciu wcześniej ustalonego algorytmu przetwarzania końcowego. W związku z tym metoda ta jest znacznie bardziej efektywna czasowo niż konwencjonalna planimetria, w której całkowite powierzchnie zębów i obszary pokryte płytką nazębną są określane ręcznie poprzez rysowanie obszarów zainteresowania w oprogramowaniu do przetwarzania obrazu ^7,12. Dodatkowo, zakres ludzkiej oceny w analizie obrazu jest ograniczony do wyboru progu jasności dla segmentacji obrazu. W ten sposób wszystkie obrazy są traktowane jednakowo, a wpływ subiektywności egzaminatora jest znacznie^{zredukowany11}.

Krytyczne etapy protokołu są głównie związane z procedurami klinicznymi, które muszą być wykonywane w wysoce ustandaryzowany sposób, aby uzyskać optymalną jakość obrazu. Roztwór wybarwiający należy nakładać delikatnie i równomiernie, a obrazy należy uzyskiwać zaraz po spłukaniu i wysuszeniu na powietrzu, aby uniknąć wypłukania barwnika, a tym samym utraty kontrastu obrazu. Ponadto należy unikać krwawienia z dziąseł, ponieważ hemoglobina może wzmacniać zarejestrowaną fluorescencję w kanale czerwonym¹⁹. Przechwytywanie obrazu powinno być wykonywane przy przyciemnionym oświetleniu pomieszczenia w celu zmniejszenia zakłóceń światła otoczenia, a pacjenci muszą otworzyć usta na tyle, aby zęby antagonistyczne nie pojawiały się na obrazach. Głowica kamery musi być ustawiona prostopadle do osi zęba, aby uniknąć uchwycenia części powierzchni zgryzowej i zębów przeciwległych.

Artefakty, które powstają w wyniku nieoptymalnej akwizycji obrazu, mogą - w większości przypadków - zostać usunięte podczas analizy obrazu, choć kosztem znacznie wydłużonego czasu przetwarzania. Niektóre artefakty, które są rozpoznawane jako obiekty podczas segmentacji, można usunąć przez proste usunięcie w edytorze obiektów. Jeśli artefakty pokrywają się z obszarami rozpoznanymi jako płytka nazębna, wynikowe obiekty muszą zostać podzielone w edytorze obiektów przed usunięciem. W skrajnych przypadkach operator może być zmuszony do ręcznego określenia obszarów pokrytych zębami i płytką nazębną poprzez narysowanie obszarów zainteresowania w oprogramowaniu. Jeśli wszystkie procedury kliniczne są wykonywane dokładnie, jedynym subiektywnym wkładem operatora podczas analizy obrazu jest określenie wartości odcięcia dla segmentacji opartych na progach. Ogólnie rzecz biorąc, pokryte płytką nazębną i czyste obszary zębów są dobrze zaznaczone na zdjęciach, ale należy wspomnieć, że niewielkie różnice w wybranych progach wpływają na obliczone wartości PPI, choć w stosunkowo niewielkim stopniu. Ponieważ wszystkie obrazy pozyskane na potrzeby danego badania mogą być segmentowane za pomocą identycznych progów, subiektywny wybór wartości odcięcia nie ma wpływu na różnice między grupą leczoną lub grupą pacjentów.

Podobnie jak planimetria ręczna, planimetria półautomatyczna nie nadaje się do podłużnych zapisów nagromadzonej płytki nazębnej ze względu na zastosowanie roztworu wydmuchowego. Erytrozyna może zakłócać wzrost biofilmu poprzez działanie przeciwbakteryjne 21,22,23, ale co najważniejsze, widoczne plamy wymagają profesjonalnego usunięcia płytki nazębnej przed odesłaniem pacjenta do domu. Jednak opisana metoda może być stosowana do regularnego oznaczania ilościowego poziomu nawykowej płytki nazębnej w klinice. Kolejnym ograniczeniem półautomatycznej planimetrii są różnice w wielkości poszczególnych zębów. Chociaż odległość między kamerą a powierzchnią zęba, a co za tym idzie, wielkość pola widzenia może być ustandaryzowana, uzyskane obrazy mogą obejmować fragmenty sąsiednich zębów. Nie można ich usunąć za pomocą operacji wsadowej, a jedynie przez ręczne przycinanie obrazów podczas analizy. Podczas gdy półautomatyczna planimetria jest odpowiednia do ilościowego oznaczania płytki nazębnej naddziąsłowej i kamienia^{nazębnego 24} na zdrowych powierzchniach zębów, przyszłe prace będą musiały określić, w jaki sposób na opisaną metodę wpływają wady rozwojowe²⁵, kawitowane i niekawitowane zmiany próchnicowe, a także ciężkie przebarwienia.

Podsumowując, półautomatyczna planimetria to metoda, która pozwala na szybkie i wiarygodne określenie ilościowe pokrycia obszaru płytki nazębnej za pomocą kamery fluorescencyjnej. Może być stosowany w badaniach klinicznych, które oceniają tworzenie się płytki nazębnej de novo w różnych grupach pacjentów lub wpływ różnych schematów leczenia na usuwanie płytki nazębnej.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
3D Sprint Podstawowe	systemy		Oprogramowanie do wytwarzania przyrostowego
5% erytrozyny; Top Dent Rondell Rö d	Góra  Wgniecenie  Lifco Dental AB	6327	Roztwór do wyczuwania
Skaner laboratoryjny D1000	3 Skaner Shape		Lab służy do skanowania głowicy kamery
DBSWIN 5.17.0	Dü rr Dental		Software dla VistaCam
Cyfrowa analiza obrazu w ekologii mikrobiologicznej (Daime), wersja 2.2.2			Darmowe oprogramowanie do analizy obrazów
LC-3D Print Box	NextDent		Jednostka polimeryzacji
Meshmixer 3.5	Autodesk		Freeware do projektowania niestandardowych przekładek
NextDent 5100	Systemy		Drukarka
NastępnyDent Ortho IBT	Systemy		Materiał na dystans
Kąpiel ultradźwiękowa T660/H	Elma Schmidbauer GmbH
VistaCam iX HD Inteligentna kamera wewnątrzustna	Dü rr Dental		W połączeniu z głowicą kamery fluorescencyjnej