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Medicine

可读机辅助重建术后评估指南

doi: 10.3791/60363 Published: January 28, 2020

Summary

本文提出了计算机辅助重建的实用、可行、可重复的评价指南,以在术后精度评价研究之间建立一致性。此协议将继续并指定此评估准则的早期版本。

Abstract

由于成像方式异质性、颌面缺陷分类以及研究之间的评价方法,术后准确率在计算机辅助重建中难以进行有效比较。本指南采用循序渐进的方法指导三维(3D)模型的成像、颌面缺陷分类和体积评估,之后可以执行一种合法化的定量精度评估方法。术后临床情况与术前虚拟计划之间。下颌的凹面和垂直和水平角被用作骨质地标,用于在计算机辅助手术 (CAS) 软件中定义虚拟线。在这些线之间,轴向、日冕和两个下颌角在(新)可下颌的术前和术后三维模型上计算,然后计算偏差。通过将术后 3D 模型叠加到固定在 XYZ 轴的术前虚拟计划 3D 模型上,可以计算出术前和术后虚拟计划牙科植入位置之间的偏差。此协议将继续并指定此评估准则的早期版本。

Introduction

重建手术中的计算机辅助手术(CAS)包括四个连续阶段:虚拟规划阶段、三维(3D)建模阶段、手术阶段和术后评估阶段1。规划阶段从获得颅面计算机断层扫描(CT)扫描和供体位点CT或CT血管造影(CTA)扫描开始。不同的组织类型对应于 X 射线衰减量,导致根据 Hounsfield 单位 (HU) (人骨 [1000 HU]、水 [0 HU] 和空气 [-1000 HU])扫描具有特定灰色值的体素。这些图像以数字成像和通信医学 (DICOM) 文件格式存储。通过在分段软件中选择感兴趣的区域 (ROIs),可以生成2。最普遍和可行的细分技术是阈值:高于所选 HU 阈值的体素包含在 ROI 中。这些体素随后被转换成3D模型在标准细分语言(STL)文件格式3,并上传到CAS软件,以规划骨质和设计3D设备4。在建模阶段,设计的设备是3D打印和消毒,然后是手术阶段。最终评估阶段包括对患者颅骨进行术后CT扫描,然后进行准确分析,将术后结果与术前虚拟计划进行比较。

我们最近发表的关于计算机辅助颌面重建准确性的系统综述显示,在图像采集、颌面缺陷分类和评估方法方面,存在异质性。这种异质性限制了研究5之间术后硬组织准确性结果的有效比较。由于新的欧盟医疗器械法规(MDR),CAS在正眼重建过程中的标准化阶段非常重要,该法规要求所有不同的CAS流程都获得符合欧洲标准(CE)认证,该认证将于2020年春季开始运行。本文提出了计算机辅助重建的实用、可行和可重复的评价指南,以在术后精度评价研究之间建立一致性。该协议继续并指定此评估指南7的早期发布,目前正在一个大型多中心队列研究中进行测试,其中将分析所有不同类型的颌面重建,以求其准确性,以发现与功能有关的可容忍结果范围。

Protocol

VU大学医学中心医学伦理审查委员会(在美国人类研究保护办公室注册为IRB00002991)确认,《涉及人类主体的医学研究法》(WMO)不适用于这项研究。分配给 VU 大学医疗中心的 FWA 编号为 FWA00017598。

注: 由两个不同的观察者独立验证此协议中的所有步骤。

1. 头骨和捐赠部位成像

  1. 使用多检测器CT(MDCT)执行术前和术后扫描,使用相同的机器和扫描仪设置,参数切片厚度(ST)设置为<1.25 mm。在重建后六周内进行术后MDCT扫描。
    注:在辅助放射治疗的情况下,在治疗前使用第一次术后MDCT扫描。

2. 颌状缺陷的分类

  1. 根据Brown等人8的分类对地膜缺陷进行分类。

3. 术后CT扫描DICOM图像的分割

  1. 打开基于图像的 3D 医疗软件(例如,在打印 3.0 中的模拟)。单击"从磁盘中打开文件"和"新建",然后将打开一个文件夹窗口。选择要导入的术后 CT 扫描的 DICOM 图像的文件夹(选择整个文件夹),在列表中选择正确的算例,然后单击"转换"。将弹出一个窗口,用于评估头骨的方向。
  2. 通过左键单击方向字符来更改方向;单击"确定"进行验证。
  3. 执行 5 步分段工作流。
    1. 要创建 ROI,请单击阈值工具。通过定义一个阈值,该阈值包含骨骼在一定灰值的一定间隔内的所有体素,这与骨组织的密度成正比。通过移动左侧和右侧的两个滑块来手动调整 Hounsfield 范围。单击绿色按钮以验证分段。
      注: 阈值工具允许用户在密度范围内选择骨骼,以 Hounsfield 单位表示。此步骤后,ROI 选项卡中将显示一个新的 ROI,软件将跳转到工作流的第二步。
    2. 要编辑 ROI,请选择"隔离工具";单击 3D 视口中的下颌,该视口将自动与颅骨隔离并变为绿色。选择"创建新 ROI 结果"选项。单击绿色按钮以验证隔离,然后所有未连接的结构消失。重命名 ROI("可操作后操作")。
      注: 可选,使用套索工具直接在图像或 3D 视口上编辑 ROI 来消除散射。当CT扫描质量差时,可连接到头骨。在这种情况下,单击拆分工具,该工具要求用户定义前景和背景。选择"前景",然后选择轴向或日冕轿跑车的下颌彻底。选择背景,并选择轴向或日冕轿跑车的maxilla和颅骨彻底。与前景对应的区域将保留在 ROI 中,并且与背景对应的区域将被删除。单击绿色按钮进行验证。
    3. 完成 ROI 并准备转换为 3D 模型后,单击工作流工具栏的"添加部件"按钮。单击"实体零件"工具。选择实体零件可亮后操作然后选择"平滑"选项。单击绿色按钮进行验证。
    4. 构造零件时,软件会自动转到工作流的第四步:编辑部件。使用图像上显示的已创建零件的轮廓,评估零件的准确性。跳过"平滑"工具。
    5. 在工作流的最后一步(准备打印)中,在导出菜单中选择"可执行后操作"部分,选择输出目录,选择 1,00 比例,然后单击绿色按钮进行验证。
      注:"可预后操作"部分现在导出为 。STL 文件。

4. XYZ 轴方向

注:术前STL模型包括颅骨、(新)可牙和实际计划的牙科植入物(如果计划)。请注意,使用颅骨和头骨的分离 STL 文件,评估工作更容易,但彼此仍然处于固定位置。当颅骨和下颌的术前STL模型被合并时,使用3D医疗软件(按照上述步骤)将颅骨从颅骨中分离。

  1. 打开评估软件 (材料表).在弹出的屏幕中拖动术前 STL 文件(包括虚拟计划)。
  2. 确定 XYZ 轴上头骨的术前 STL 模型的法兰克福平面、中端平面和统一方向的 nasion。
    1. 单击构造 |平面 |3点平面,并使用Ctrl +左键单击内部声学foramina和左次轨道边缘(法兰克福平面)9创建一个虚拟点。单击"创建"并在指向 STL 模型后关闭。
    2. 单击构造 |线 |2 点线,并使用 Ctrl + 左键单击 nasion 和 basion(中端平面)10创建虚拟点。
    3. 单击构造 |点 |使用 Ctrl + 左键单击 nasion,点点并创建虚拟点。
    4. 单击操作 |主对齐 |平面线点。将实际参数"平面 1"与标称参数"平面 Z"、实际参数"线 1"与标称参数"Y线"合并,将实际参数"Point 1"与标称参数"全局坐标系"合并。
      注:颅骨和(新)颅骨的术前STL模型现在固定在XYZ轴上(图1)。

5. 术前和术后STL模型的体积评估

注:检查术前和术后STL模型的体积相似性,以尽可能排除两个模型之间的体积误差,因为它们会影响精度测量。

  1. "实际元素"下仅选择术前(新)可操作的 STL 文件,其中将显示所有"Meshes"。单击操作 |加元 |实际网格到 CAD。在弹出的菜单中选择新的 CAD 数据,重命名文件(例如,"可预操作"),然后单击"确定"。
    注: 术前 STL 模型现在在标称元素下可见 |左侧资源管理器菜单中的 CAD。
  2. 将术后 STL 模型拖到软件中(在协议第 3 节中创建)。重命名文件(例如,"可操作后操作")。在左侧资源管理器菜单中选择"实际元素"下的 STL 文件,其中将显示所有"要素"。单击操作 |对齐 |单元素转换 |3 点对齐
  3. 在弹出的菜单中,通过 ctrl + 左键单击,将"可预操作"上的 3 个"标称点"(例如,下颌的上部、水平角和垂直角)与"可移动后点"上的 3 个类似的"实际点"合并。使用"应用"和"关闭"进行验证。
    注: STL 模型将基于这 3 个地标大致叠加在一起。这将加快软件的计算,在后续步骤中。
  4. 取消选择可预操作,并在左侧资源管理器菜单中选择"可预操作"。单击底部工具栏中的"曲面上的选择/取消选择"工具。在侧侧和中侧(不与骨合成材料接触)上残部下颌表面选择表面。
  5. 单击操作 |对齐 |主对齐 |本地最佳适合。选择所有 CAD 组作为弹出菜单中的目标元素。取10.000毫米的最大距离。使用应用和关闭进行验证。
    注:"可预操作"残部下颌的选定部分将精确叠加在"可预操作"的类似部分上。现在,两种型号都已准备好进行 STL 体积评估。
  6. 单击底部工具栏中的"曲面上的选择/取消选择"工具。仅在上一步骤曲面中的侧边选择曲面。单击检查 |CAD 比较 |实际上的曲面比较。在弹出的菜单中使用 10.00 mm 的最大距离,并使用"确定"进行验证。
  7. 关闭可切换后操作"切换可见性"。使用"选择修补"工具,左键单击所选曲面。单击上面工具栏上的放大镜。屏幕上会弹出一个圆形工具栏。单击检查 |偏差标签算术平均值和以 mm 为单位的算术平均值将显示 (图 2)。
  8. 如果算术平均值 <0.5 mm,请继续执行此协议第 6 节。在算术均值 >0.5 mm 的情况下,通过调整阈值在 3D 医疗软件中重复术后 CT 扫描 (DICOM 文件) 分割。重复分割和叠加,直到达到算术平均值 <0.5mm。
    注: 两个 STL 卷现已准备好进行有效的精度比较。

6. 压结过程的叠加

  1. 取消选择可预操作,并在左侧资源管理器菜单中选择"可预操作"。单击底部工具栏中的"曲面上的选择/取消选择"工具。通过从切口最斜面点(正边凹口)垂直于圆锥和垂直角之间的边界后边缘绘制平面(侧和中侧),选择两个圆锥体的整个曲面。
  2. 单击操作 |对齐 |主对齐 |本地最佳适合。选择所有 CAD 组作为弹出菜单中的目标元素。取10.000毫米的最大距离。使用应用和关闭进行验证。
    注:"可预操作"的选定圆锥体将精确叠加在"可预操作"的圆锥体上(图3)。

7. 日冕、轴向和下颌角的计算

注: 骨质地标的识别在"可预操作"和"可预操作"STL 模型上单独执行。取消可软后操作,同时识别"可预操作"中的骨质地标,反之亦然。

  1. 在左侧资源管理器菜单中选择"可预操作"。单击构造 |点 |表面点根据Brown等人8的分类,确定上部(CS)、后部(CP)、垂直角(VC)和水平角(HC)上的虚拟点。
  2. 在左侧资源管理器菜单中选择"可读后操作"。单击构造 |点 |投影点,根据Brown等人8的分类,确定CS、CP、VC和HC上的虚拟点。
    注:对于棕色类 Ic、IIc 或 IVc 缺陷,确定骨移植垂直部分或钛/假体最优越部分和后部上的虚拟点。如果骨片切除包括一个或多个角,则在骨移植的两段之间选择骨切除平面最劣劣的点。当下颌切除仅包含水平或垂直角的一半(骨移植段旁边的残余下颌骨)时,确定骨移植部分骨移植在骨切除平面最下部的一个虚拟点。在 Brown 类 I 骨节缺陷的情况下,确定骨移植水平段最前部和下级部分的虚拟点,并将此虚拟点视为水平角。如果解剖垂直或水平角外出现(额外)骨肿,请确定最接近这些角的骨切除为垂直或水平角。
  3. 要在 2 个虚拟点之间创建一条线,请单击"构造 |线 |2 点线.在弹出菜单中选择 2 个正在构造的元素,以将其与一条线连接。单击"创建并关闭"。
  4. 通过单击构造|平面 |查看方向中的平面。在 Z 轴上选择 2 个点。
  5. 要在 2 条线之间或线与平面之间创建角度,请单击"构造 |角度 |2 方向角度.随后,在弹出的菜单中选择"行 1"和"线/平面 2"。单击"创建并关闭"。
  6. 通过在资源管理器菜单中选择可预操作角度,将所有可预操作角度连接到可主操作后角度,然后单击放大镜 |测量原理 |链接到实际元素。选择相应的可读后操作角度,然后单击"确定"。
  7. 有了这些知识,确定从CS到VC的线和中斜线(ML)之间的左右冠状线线。
    1. 确定从 VC 到 HC 和 ML 的线之间的左右轴向下颌角。
    2. 确定从 CP 到 VC 的线和从 VC 到 HC 的线之间的下垂线。
    3. 计算并报告术后角度和虚拟计划角度之间的偏差(+)。

8. 计算实际计划的牙科植入物的 XYZ 偏差和距离 XYZ

注:在术前规划期间使用正确的牙种植体直径和高度(包括盖螺钉),以便进行正确的比较。

  1. 单击构造 |点 |使用 Ctrl + 左键单击牙齿植入物的中部螺钉的中间和顶部,在可移动预操作文件中点点并创建一个虚拟点。
  2. 单击构造 |点 |表面点,并使用 Ctrl + 左键单击牙种植体在可移动后文件中覆盖螺钉的中间和顶部创建一个虚拟点。
  3. 鼠标右键单击第一个牙科植入物在可预手术。单击测量原理 |链接到实际元素。选择相同的牙科植入物的三脚术后。对所有牙科植入物重复此过程。
  4. 在左侧资源管理器菜单中选择"可预操作"和"可分后"文件中牙科植入物上的所有点。单击上面工具栏上的放大镜。屏幕上会弹出一个圆形工具栏。单击"检查"并选择dXYZ以显示每个牙科植入物的距离 XYZ(以毫米为单位):

Representative Results

詹姆斯·布朗三级正骨缺陷在我们部门重建,用纤维自由皮瓣作为捐赠部位。直接引导牙科植入物放置使用纤维切割指南,其中还包括牙科植入指南。用所提出的准则对重建进行了评价。计算并报告了日冕、轴向和下颌角偏差(*)和六个牙科植入物XYZ距离(mm)(图4图5)。

Figure 1
图 1:XYZ 轴上头骨的术前 STL 模型的统一方向,法兰克福平面投影到 Z 轴(红线),中端平面投影到 Y 轴(绿线),以及投影到 X 轴(蓝线)的 nasion。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:术前虚拟计划STL模型的下颌右侧(不涉及导致散射的骨合成材料)的一部分叠加在术后STL模型上。随后,CAS 软件用于计算算术平均值。此示例中两个体积之间的 0.02 mm 偏差属于标准(<0.5 mm),以继续评估准则的下一步。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:术后STL模型(灰色)在术前STL模型上叠加,修正为虚拟计划(蓝色)。对于迭代最近点算法(红色),仅选择两个 condylar 进程。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4:使用无纤维瓣作为供体部位重建布朗III类缺陷。在此示例中,使用 3D 指南在重建过程中主要放置六个实际计划的牙科植入物。在术前虚拟计划3D模型和术后3D模型上计算日冕、轴向和下垂角。显示以度 (*) 表示的角度之间的偏差。CS, 康迪尔优越;CP, 后部;VC,垂直角;HC,水平角;ML,中线;FFF,无纤维瓣。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5:六个引导放置的牙科植入物的X、Y和Z轴上的牙科植入物偏差和XYZ(dXYZ)的距离。请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

本术后评估指南旨在促进计算机辅助颌面重建的准确性分析的均匀性。重点是决定骨质重建成功的四个组成部分:(1) 两个牙钉的位置,(2) 骨切除术平面的角度,(3) 骨移植段的大小、位置和固定,以及 (4) 引导牙科的位置植入物(如果立即执行并包含在虚拟规划中)。

在建议协议的第一步中,我们建议对术前和术后成像进行 MDCT 扫描,因为 CT 图像的质量会影响分段 STL 模型的体积精度。最大的体积偏差发现在STL模型分段圆锥束计算机断层扫描(CBCT)扫描仪DICOM数据11。这些体积偏差会影响 3D 打印模板和参考线的精度和安装,从而也影响术前和术后 STL 模型之间的术后精度测量。因此,我们建议使用MDCT扫描仪在术前和术后成像中使用CAS进行颌面重建。切片厚度是 STL 体积精度中影响最大的因素,应设置 <1.25 mm。切片厚度越高,STL模型中的细节损失也会受到影响,并影响精度测量12、13。最近发表的一份使用中科院对颌面重建准确性的系统综述显示,作者5使用的CT扫描仪参数的材料和方法部分描述不佳。我们认为,中科院的研究应始终在材料和方法部分中指定术前和术后成像模式的类型和参数。为了避免骨移植段的体积、形状和位置发生长期变化,术后MDCT扫描应在重建后六周内进行在辅助放射治疗的情况下,在治疗前使用第一次术后MDCT扫描,以避免在骨质骨15的辐射相关病理学。

需要对颌面缺陷进行分类,以比较具有类似复杂性的重建。2016 年,Brown 等人8提出了一个带状缺陷分类,描述了四个类,其中的类数与重建的复杂性之间的关系。CAS软件中术前和术后STL模型对重建精度的评价,给重建带来了一些困难。叠加软件工具使用迭代最近点算法移动 STL 模型(源)的选定部分,以最佳匹配 STL 模型(参考)的固定部分。然而,由于重建板块的散射,整个(新)可叠加是不准确的,这将导致整个重建的转移,不代表下颌16的术后临床位置。同样的问题被引入,同时叠加重建的孤立部分17。下颌骨的叠加,包括顶点和颅骨是不准确的,因为口口在术前和术后扫描期间总是不同的。因此,为了评估(新)下颌的术后位置,我们决定在术前和术后STL模型上分别创建下颌角(由De Maesschalck等人开创),以绕过叠加问题。然而,要评估牙种植体的位置,我们必须使用叠加软件工具来对齐两种模型。为了将术前和术后STL模型与最接近临床术后体间关系的方法保持一致,我们认为仅叠加两种结节过程是最可行、最标准化和可重复的方法。虽然两个圆环的术后位置可能受不准确的新肌重建的影响,但间缘关系将适应中线,从而平均两个圆环围绕中端平面19的位置。在我们的协议中,只有术前STL模型使用CAS软件中的平面线点工具快速固定在XYZ轴上,代表一个基准,从中可以确定牙种植体的术后偏差。XYZ 轴上的固定头骨位置可能导致案例之间的小头角测量差异。但是,这对牙科植入物的测量没有影响,因为当术后 3D 模型叠加到固定的术前 3D 模型上时,它对于牙科植入物位置之间的距离 XYZ 以 mm 为单位,而只有两个圆锥体都选择用于迭代最近点算法,因此没有影响。

如上所述,De Maesschalck等人18日开创了利用CAS对骨面重建硬组织精度的评估方法,绕过了骨切除平面测定的需要,并绕过了超增工具的使用。此方法最严重的缺点是未能指定用于确定中端平面的方法,需要标准化和可重现。此外,没有包括实际计划的牙科植入物,并且缺乏对外膜重建复杂性的区分。我们在我们的协议中包括评估几乎计划好的牙科植入物的术后位置,因为将来应用引导式牙科植入物的作者数量可能会增加。2016 年,Schepers 等人20提出了一种出色的术后评估方法,通过测量每个牙科植入物的中心点偏差 (mm) 和角偏差 (°),用于使用 CAS 进行实际规划的牙种植体。该方法的主要局限性是每个植入物的测量量降低可行性,导致整个重建精度的概述损失。我们建议一种更简化的方法,通过测量 XYZ(以毫米为单位的 dXYZ)确定每个牙科植入物的一个重述数字。在牙科康复方面,牙种植体颈部的位置对未来的假肢具有决定性意义。因此,我们的评估协议建议在术前和术后STL模型中在牙种植体的颈部创建虚拟点。为了保持对牙科植入物的评估可行,我们决定跳过角度偏差测量,因为角偏差高达 15° 可以通过角度植入基体进行校正。

我们建议的指南适用于所有类型的供体部位,并允许不同的骨移植固定的可能性。此外,术后成像中金属固定部件的CT散射不会影响指南5的测量。在本评估指南中,我们在 Print 3.0 中使用模拟,GOM 检查专业 2019。但是,该协议描述了所有 CAS 软件包中可用的软件工具。该指南旨在推动采用更加标准化和统一的方法,在 CAS 阶段将准确性和所有不同方法之间的关系对象化。在确定每 Brown 类可接受的颌面角度偏差、它们与几乎计划好的牙科植入物的术后位置的关系以及未来假肢可接受的牙科植入偏差 (dXYZ) 方面,有很大的进一步进展空间。目前,我们部门正在进行一项多中心研究,以验证这一指南在一个大组,这也考虑到上述所有变量。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项研究没有得到公共、商业或非营利部门供资机构的任何具体资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
GOM Inspect Professional 2019 GOM Evaluation software
Mimics inPrint 3.0 Materialise Image-based 3D medical software

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