Надежность интеграции конусно-лучевой компьютерной томографии на основе искусственного интеллекта с цифровыми стоматологическими изображениями

Трехмерные (3D) цифровые технологии расширили область диагностики и планирования ортодонтического или хирургического ортодонтического лечения. Виртуальная голова, построенная на основе изображения лицевой конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ), может быть использована для оценки зубочелюстных и зубных аномалий, планирования ортогнатической хирургии, изготовления зубных пластин и хирургических шаблонов-имплантатов с использованием автоматизированного проектирования и производства 1,2,3,4. Однако КЛКТ-сканирование имеет низкую представленность зубного ряда, включая морфологию зубов и межокклюзионные отношения, что связано с их ограниченным разрешением и полосами артефактов от реставрации зубов или ортодонтических брекетов⁵. Таким образом, стоматологические особенности были заменены на изображениях КЛКТ цифровыми стоматологическими изображениями (DDI), такими как отсканированные слепки или изображения интраорального сканирования.

Для надежной интеграции DDI на изображениях КЛКТ в многочисленных исследованиях сообщалось о различных методах, таких как использование реперных маркеров ^6,7, воксельных^{8 и} поверхностных регистраций (SBR)^9,10. Эти процедуры имеют свои методы использования экстраоральных маркеров, многократных КЛКТ-сканирований и дополнительных этапов процесса, таких как очистка металлических артефактов на изображениях КЛКТ. Что касается точности SBR, несколько предыдущих исследований сообщали о погрешности в диапазоне от 0,10 до 0,43 мм ^9,11. Кроме того, Zou et al. оценили надежность внутри и между наблюдателями и ошибки между цифровым инженером и ортодонтом, использующим SBR^{, и} сообщили о необходимости клинического опыта и повторного обучения.

Искусственный интеллект (ИИ) используется для прогнозирования результатов лечения¹² и оцифровки ориентиров на цефалометрических рентгенограммах¹³ или изображениях КЛКТ 14,15,16, и в настоящее время доступно некоторое коммерческое программное обеспечение, помогающее в этом ^{процессе17}. Точная идентификация анатомических ориентиров на 3D-изображениях затруднена из-за неоднозначности плоских поверхностей или изогнутых структур, областей низкой плотности и широкой изменчивости анатомических структур.

Автоматизация на основе искусственного интеллекта с машинным обучением может применяться не только для оцифровки, но и для интеграции DDI и зубочелюстной КЛКТ. Однако существует мало исследований точности регистрации на основе ИИ (ABR) по сравнению с существующим поверхностным методом. Для достижения более точных результатов 3D-изменений скелета и зубов с помощью бимаксиллярной ортогнатической хирургии необходимо оценить точность программ на основе искусственного интеллекта при слиянии КЛКТ и DDI. Поэтому в данной статье представлен пошаговый протокол оцифровки и интеграции КЛКТ и DDI с регистрацией на основе ИИ (ABR) и оценки его надежности и воспроизводимости по сравнению с SBR.

Это ретроспективное исследование было рассмотрено и одобрено Институциональным наблюдательным советом больницы Бундан Сеульского национального университета (B-2205-759-101) и соответствовало принципам Хельсинкской декларации. В исследовании использовались файлы Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) из CBCT и DDI в формате Standard Tessellation Language (STL) из слепка зубов. Необходимость информированного согласия была отменена из-за ретроспективного характера исследования.

1. Получение КЛКТ и цифровых стоматологических изображений (DDI)

1. Отбирайте пациентов на основе следующих критериев включения: скелетные аномалии прикуса III класса; бимаксиллярная хирургия с помощью компьютерного планирования; и ортодонтическое лечение с помощью несъемных аппаратов.
2. Исключите пациентов с черепно-лицевыми синдромами, расщелиной губы/неба или отсутствием первых моляров верхней челюсти или правого центрального резца.
3. Получение КЛКТ-сканов с полем зрения 200 мм x 180 мм, размером вокселя 0,2 мм и условиями экспозиции 80 кВ, 15 мА и 10,8 с. Убедитесь, что пациенты находятся в вертикальном положении с максимальным сцеплением зубов. Сохраните сканы в виде файлов данных DICOM.
4. Получайте DDI из слепков зубных камней или прямого интраорального сканирования и сохраняйте их в формате стандартного языка тесселяции (STL) в виде отдельных верхнечелюстных и нижнечелюстных зубов.

2. Протокол регистрации на основе искусственного интеллекта (ABR)

1. Переориентация и цифровизация КЛКТ
   1. Откройте программу и нажмите кнопку Загрузить файл DICOM , чтобы импортировать файлы CBCT DICOM в программу.
   2. Выберите любой из файлов DICOM в папке данных DICOM и нажмите кнопку Открыть.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда файлы DICOM загружены, программное обеспечение автоматически реконструирует их в черепно-лицевой объем КЛКТ.
   3. Нажмите кнопку « Переориентация » на панели «Ориентир» (рисунок 1).
   4. N (Nasion): щелкните V-образный вырез лобной кости в 3D-виде (рис. 2). Сразу после щелчка обратите внимание, что синяя точка (активирована) превращается в красный крестик, который также появится в аксиальном, сагиттальном и корональном видах. Нажимайте на синие треугольные стрелки вперед и назад, чтобы определить ориентир.
      1. В сагиттальном виде прокрутите колесико мыши вверх и вниз, чтобы найти самую переднюю точку, где лобно-назальный шов встречается с носовыми и лобными костями, и щелкните, чтобы определить вертикальное и переднезаднее положение ориентира.
      2. В корональном виде прокрутите колесико мыши вверх и вниз, чтобы найти момент непосредственно перед исчезновением носовой кости, чтобы убедиться в самой передней точке, и щелкните, чтобы определить горизонтальное положение Nasion.
      3. В осевом виде отрегулируйте переднезаднее положение так, чтобы оно находилось в самой передней точке.
   5. R Or (Orbitale): щелкните по самой нижней точке на краю правого орбитального контура на 3D-модели (рис. 2).
      1. В корональном виде прокрутите колесико мыши вверх и вниз, чтобы найти самую низкую точку на нижнем краю правой орбиты , и щелкните.
      2. В сагиттальном виде щелкните самую верхнюю точку правой верхней челюсти или скуловой костной структуры , которая составляет нижнюю границу глазницы.
      3. В осевом представлении прокрутите мышь и щелкните так, чтобы красный крестик располагался там, где встречается край глазной орбиты.
   6. L Or (Orbitale): щелкните самую нижнюю точку на краю левого орбитального контура в 3D-модели (рисунок 2) и измените точку на трех видах, как в процессе для R Or.
   7. R Po (порион): щелкните по самой верхней точке контура правого наружного слухового прохода на 3D-модели (рис. 2).
      1. В виде короны щелкните самую нижнюю точку правой височной кости , чтобы определить горизонтальное и вертикальное положение.
      2. В сагиттальной проекции щелкните самую верхнюю точку контура правого наружного слухового прохода, чтобы отрегулировать вертикальное и передне-заднее положение.
      3. В осевом виде прокрутите колесико мыши, чтобы щелкнуть там, где появляется наружный слуховой проход, в котором исчезает линия височной кости.
   8. L Po (порион): щелкните самую верхнюю точку контура левого наружного слухового прохода в 3D-модели (рисунок 2) и измените точку в трех многоплоскостных видах, как в процессе для R Po.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пять основных скелетных ориентиров, включая Nasion, правую и левую орбитальные кости, а также правую и левую части в реконструированной черепно-лицевой модели (рис. 2), теперь идентифицированы.
   9. Нажмите кнопку Готово, чтобы завершить переориентацию реконструированной черепно-лицевой модели.
   10. Нажмите кнопку «Предварительный выбор ориентира» на панели «Ориентир» и выберите группу ориентиров «Зубной ряд I».
       ПРИМЕЧАНИЕ: Знаковые группы основания черепа, ВНЧС, верхнечелюстного скелета, нижнечелюстного скелета, зубного ряда I и мягких тканей уже выбраны для черепно-лицевого анализа.
   11. Нажмите кнопку «Выполнить» на панели «Предварительный выбор ориентиров», и программа автоматически выберет предварительные ориентиры и определит их координаты.
   12. При изменении ориентиров нажмите кнопку Manual Landmark Picking на вкладке Volume , внесите необходимые корректировки и нажмите кнопку Done для подтверждения (рисунок 3).

3. Процедура слияния DDI

1. Нажмите кнопку Registration of Dentition Scan на панели Tools (рисунок 4).
2. Выберите зубной ряд верхней челюсти и нажмите кнопку «Загрузить » на панели регистрации зубного ряда.
3. Выберите STL-файлы того же пациента с моделью КЛКТ в папке, чтобы загрузить STL-файлы верхнечелюстных зубов. Как только файлы STL будут открыты, найдите DDI в правой части экрана и четыре вида (3D, аксиальный, сагиттальный и корональный) КЛКТ в левой части экрана.
4. Выберите ориентиры регистрации на загруженном DDI: мезиобуккальные бугорки первого моляра правой верхней челюсти (R U6CP), среднюю точку центрального резца правой верхней челюсти на краю резца (R U1CP) и мезиобуккальный бугорок первого моляра левой верхней челюсти (L U6CP) (рис. 5), поменяв местами синие треугольные стрелки вперед и назад.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Щелкните левой кнопкой мыши и перетащите мышь, чтобы повернуть DDI, и щелкните правой кнопкой мыши и перетащите, чтобы увеличить или уменьшить масштаб. Регистрационные ориентиры одновременно калибруются с помощью автоматизации машинного обучения после оцифровки вручную.
5. Нажмите кнопку «Готово » на панели регистрации зубного ряда.
6. Нажмите кнопку Да , чтобы подтвердить автоматическую регистрацию (рисунок 6).
7. Для слияния нижнечелюстных зубов выберите нижнечелюстной зубной ряд и нажмите кнопку «Загрузить» на панели «Регистрация зубного ряда». Повторите шаги с 3.2 по 3.6. Выберите регистрационные ориентиры на нижнечелюстном зубе: мезиобуккальный бугорок правого/левого нижнего первого моляра (R-/L- L6CP), правый нижний первый резец средней точки на краю резца (R L1CP).
8. Теперь DDI объединен с реконструированной моделью КЛКТ (рис. 7).
   1. При изменении слияния нажмите кнопку Pick Registration Landmark на панели Dentition Registration (рисунок 8).

4. Получение значений 3D-координат (x, y и z) каждого ориентира

1. Щелкните кнопку Ручной выбор ориентиров на вкладке Объем или щелкните вкладку Анализ, чтобы получить значения 3D-координат ориентиров. Для экспорта данных перейдите на вкладку анализа→панель экспорта данных и нажмите кнопку Ориентир, чтобы сохранить данные в файл.
   ПРИМЕЧАНИЕ: X-плоскость (горизонтальная) — это плоскость, проходящая через Nasion, параллельно Франкфуртской горизонтальной плоскости (FH), которая проходит через левую и правую орбитальные и правую Porion. Y-плоскость (срединная сагиттальная) перпендикулярна плоскости X, проходя через Nasion и Basion. Z-плоскость (корональная) устанавливает плоскость перпендикулярно горизонтальной и среднесагиттальной плоскостям через Nasion (нулевая точка; 0, 0 и 0) (рис. 9).

Здесь мы описали процесс интеграции CBCT и DDI с помощью программы на основе искусственного интеллекта. Для оценки его надежности и воспроизводимости было проведено сравнительное исследование с поверхностной регистрацией (SBR). Было определено, что после анализа мощности требуется минимальный размер выборки в десять человек при корреляции ρ H1 = 0,77, α = 0,05 и мощности (1−β) = 0,8018. Всего было изучено 17 наборов КЛКТ-сканирований и цифровых стоматологических изображений ортогнатических пациентов в больнице Бундан Сеульского национального университета с марта 2016 года по октябрь 2019 года. Все процессы SBR и ABR для одной и той же популяции были повторены дважды одним и тем же экспертом, ординатором-ортодонтом, который обучался идентификации ориентиров более 1,5 лет. SBR выполняли по протоколу, аналогичному протоколу некоторых предыдущих исследований 9,10 (рис. 10). Оценивались средние различия в значениях координат x, y и z R-/L-U6CP и R U1CP после повторных интеграций с каждой программой. Все данные были статистически проанализированы с помощью программного обеспечения SPSS 22.0. Достоверность координат ориентиров анализировалась в каждом ABR, SBR и между ними для оценки воспроизводимости с использованием внутриклассовой корреляции (ICC)19.

Внутринаблюдательная надежность значений координат x, y и z R-/L-U6CP и R U1CP была значительной и почти идеальной для ABR (0,950 ≤ ICC ≤ 0,998) и SBR (0,886 ≤ ICC ≤ 0,997) соответственно (табл. 1). Разница в надежности значений координат y и z в большинстве ориентиров была значительной и показала почти полное или существенное совпадение между SBR и ABR. Однако значения координат x R-/L-U6CP и R U1CP показали умеренное, посредственное и низкое совпадение соответственно и были незначительными.

Как показано в таблице 2, средние разности всех значений координат при повторных интегрированиях существенно не различались в каждом методе. Эти различия по координатам x варьировались от -0,005 до -0,098 мм для ABR и от -0,212 до 0,013 мм для SBR. Они варьировались от -0,084 до -0,314 мм по координатам y для ABR и от −0,007 до 0,084 мм для SBR, а также варьировались от -0,005 до 0,045 мм по координатам z для ABR и от −0,567 до 0,074 мм для SBR. Однако средняя разница между первой и второй регистрациями между ABR и SBR не была значимой.

Рисунок 1: Переориентация черепно-лицевой модели. Это запускается нажатием кнопки «Переориентация» на панели «Ориентир».

Рисунок 2: Пять основных ориентиров для переориентации реконструированной черепно-лицевой модели: назион, правая и левая орбитали, а также правая и левая порции.

Рисунок 3: Ориентиры и их координаты после предварительного автоматического выбора ориентиров. Обзор и изменение достопримечательностей можно сделать, нажав на кнопку «Ручной выбор достопримечательностей» на вкладке «Объем».

Рисунок 4: Начало слияния цифровых стоматологических изображений с переориентированной черепно-лицевой моделью. Это делается нажатием на кнопку «Регистрация сканирования зубного ряда » на панели «Инструменты». Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Расположение трех регистрационных ориентиров на загруженных цифровых стоматологических изображениях. Мезиобуккальные бугорки первого моляра правой верхней челюсти (R U6CP), средняя точка центрального резца правой верхней челюсти на краю резца (R U1CP) и мезиобуккальная бугорка первого моляра левой верхней челюсти (L U6CP). Эти ориентиры были одновременно откалиброваны с помощью автоматизации с машинным обучением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Подтверждение трех регистрационных ориентиров на загруженных цифровых стоматологических изображениях и КЛКТ. Правый и левый мезиобуккальные бугорки первых моляров верхней челюсти (R U6CP, L U6CP) и правой верхней центральной средней точки резца (R U1CP). Нажатие на кнопку « Да » выполняет автоматическую регистрацию. Аббревиатура: КЛКТ = конусно-лучевая компьютерная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Реконструированная черепно-лицевая модель объединена с цифровым изображением зубов.

Рисунок 8: Изменение слияния. При изменении объединения нажмите кнопку «Выбрать регистрационный ориентир» на панели «Регистрация зубного ряда». Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 9: Опорные плоскости программы. X-плоскость (горизонтальная) — это плоскость, проходящая через Nasion, параллельно Франкфуртской горизонтальной плоскости (FH), которая проходит через левую и правую орбитальные и правую Porion. Y-плоскость (срединная сагиттальная) перпендикулярна плоскости X, проходя через Nasion и Basion. Z-плоскость (корональная) устанавливает плоскость перпендикулярно горизонтальной и среднесагиттальной плоскостям через Nasion (нулевая точка; 0, 0 и 0). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 10: Поверхностная регистрация цифровых стоматологических изображений верхней челюсти в зубных частях реконструированных изображений КЛКТ. (A) До и (B) после слияния. Сначала начальные точки регистрировали с помощью мезиобуккальных бугорков первых моляров верхней челюсти и точки контакта центральных резцов в КЛКТ и ДДИ. Впоследствии поверхность была зарегистрирована для достижения более точного интегрирования с помощью итерационного алгоритма ближайших точек. Аббревиатура: КЛКТ = конусно-лучевая компьютерная томография; DDI = цифровые стоматологические изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Надежность в трех координатах каждого ориентира при интеграции лицевых КЛКТ и цифровых стоматологических изображений в каждом ABR и SBR и между ними. *парный t-критерий; † независимый t-критерий. ICC > 0,8/0,6/0,4/0,2 или ≤ 0,2 представляют собой очень хорошую, хорошую, умеренную, справедливую или плохую силу согласия соответственно. Сокращения: КЛКТ = конусно-лучевая компьютерная томография; ИИ = искусственный интеллект; ABR = регистрация на основе ИИ; SBR = наземная регистрация; ДИ = доверительный интервал; ICC= внутриклассовый коэффициент. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Таблица 2: Средние различия в трех координатах каждого ориентира при повторной регистрации лицевых КЛКТ и цифровых стоматологических изображений с помощью ABR и SBR. Δ (1-2-я) — средняя разница в координатах x, y и z каждого ориентира между первой регистрацией (1-й) и второй регистрацией (2-й) изображений DDI и лицевой КЛКТ. *парный t-критерий; †независимый t-критерий ; ВУилкоксон Тест знакового ранга. Значимость была установлена на уровне P < 0,05. Сокращения: КЛКТ = конусно-лучевая компьютерная томография; ИИ = искусственный интеллект; ABR = регистрация на основе ИИ; SBR = наземная регистрация; S.D. = стандартное отклонение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.