Summary
3차원(3D) 가상 하이브리드 모델을 생성하기 위한 워크플로는 방사선 사진 이미지 분할 방법 및 자유형 표면 모델링을 활용하여 원뿔 빔 컴퓨터 단층 촬영 데이터 세트 및 구강 내 광학 스캔을 기반으로 설계되었습니다. 디지털 모델은 재건 치조골 수술 절차의 가상 계획에 사용됩니다.
Abstract
이 기사에서는 가상의 하이브리드 3차원(3D) 모델 획득을 다루며, 방사선 이미지 분할, 공간 정합 및 자유형 표면 모델링의 시퀀스를 활용합니다. 먼저, 원뿔 빔 컴퓨터 단층 촬영 데이터 세트를 반자동 분할 방법으로 재구성했습니다. 치조골과 치아는 서로 다른 세그먼트로 분리되어 3D 형태 및 치주 골내 결손의 국소화를 평가할 수 있습니다. 급성 및 만성 치조골 융기 결손의 중증도, 범위 및 형태는 인접 치아와 관련하여 검증됩니다. 가상 복합 조직 모델에서 치과 임플란트의 위치를 3D로 계획할 수 있습니다. IOS 및 CBCT 데이터의 공간 정합과 후속 자유형 표면 모델링을 활용하여 사실적인 3D 하이브리드 모델을 획득하여 치조골, 치아 및 연조직을 시각화할 수 있습니다. IOS와 CBCT 연조직의 중첩을 통해 무치악 융기 위의 두께를 기본 뼈 치수에 대해 평가할 수 있습니다. 따라서 피판 설계 및 수술 피판 관리를 결정할 수 있으며 간헐적인 합병증을 피할 수 있습니다.
Introduction
치과의 기술 발전은 컴퓨터 지원 치료 계획 및 수술 절차 및 보철 재활의 시뮬레이션을 가능하게 했습니다. 디지털 치의학에서 3D 데이터 수집을 위한 두 가지 필수 방법은 (1) 원뿔 빔 컴퓨터 단층 촬영(CBCT)1 및 (2) 구강 내 광학 스캐닝(IOS)2입니다. 이러한 도구를 사용하여 모든 관련 해부학적 구조(치조골, 치아, 연조직)의 디지털 정보를 획득하여 치조골 재건 수술 절차를 계획할 수 있습니다.
콘빔 기술은 1996년 이탈리아의 한 연구 그룹에 의해 처음 소개되었습니다. 기존의 컴퓨터 단층 촬영에 비해 훨씬 낮은 방사선량과 더 높은 해상도를 제공하는 CBCT는 치과 및 구강 수술에서 가장 자주 사용되는 3D 이미징 방식이 되었습니다3. CBCT는 다양한 수술 절차(예: 치주 재생 수술, 치조골 융기 확대술, 치과 임플란트 식립, 양악 수술)를 계획하는 데 자주 사용됩니다1. CBCT 데이터 세트는 2D 이미지 및 3D 렌더링을 제공하는 방사선 영상 소프트웨어에서 보고 처리할 수 있지만 대부분의 이미징 소프트웨어는 3D 이미지 재구성을 위해 임계값 기반 알고리즘을 사용합니다. 임계값 적용 방법은 복셀 회색 값 간격의 상한과 하한을 설정합니다. 이 경계 사이에 있는 복셀은 3D로 렌더링됩니다. 이 방법을 사용하면 모델을 빠르게 획득할 수 있습니다. 그러나 알고리즘은 해부학적 구조를 금속 인공물 및 산란과 구별할 수 없기 때문에 3D 렌더링은 매우 부정확하며 진단 값 4,5가 거의 없습니다. 위에서 언급한 이유로, 치의학의 많은 분야에서는 여전히 기존의 2D 방사선 사진(구강 내 방사선 사진, 파노라마 X-레이) 또는 CBCT 데이터 세트의 2D 이미지에 의존하고 있다5. 우리 연구팀은 최근 발표된 논문에서 CBCT 데이터셋의 해부학적 기반 3D 재구성을 수행하는 오픈소스 방사선 영상 처리 소프트웨어6를 사용하는 반자동 영상 분할 방법을 제시했다7. 이 방법의 도움으로 해부학적 구조가 금속 인공물과 구별되었으며 더 중요한 것은 치조골과 치아를 분리할 수 있다는 것입니다. 따라서 단단한 조직의 사실적인 가상 모델을 얻을 수 있습니다. 3D 모델은 뼈 내 치주 결손을 평가하고 재생 치주 수술 전 치료 계획을 세우는 데 사용되었습니다.
구강 내 광학 표면 스캐너는 임상 상태(치아 및 연조직의 임상 크라운)에 대한 디지털 정보를 제공합니다. 이 장치의 원래 의도된 목적은 CAD(Computer-Aided Design) 및 CAM(Computer-Aided Manufacturing) 기술을 사용하여 치과 보철물을 계획하고 제작하기 위해 환자의 디지털 모델을 직접 획득하는 것이었습니다8. 그러나 응용 분야가 넓기 때문에 다른 치과 분야에서도 빠르게 사용할 수 있습니다. 악안면외과 의사는 IOS와 CBCT를 가상 절골술 및 양악수술 9,10의 디지털 계획에 활용할 수 있는 하이브리드 설정으로 결합합니다. 치과 임플란트학은 아마도 디지털 계획과 안내 실행을 가장 일반적으로 사용하는 분야일 것입니다. 탐색 수술은 임플란트 잘못된 위치와 관련된 대부분의 합병증을 제거합니다. CBCT 데이터 세트와 IOS의 광조형(.stl) 파일의 조합은 유도 임플란트 배치 및 정적 임플란트 드릴링 가이드(11,12)의 제작을 계획하는 데 일상적으로 사용됩니다. CBCT 데이터 세트 위에 중첩 된 구강 내 스캔은 또한 심미 크라운 연장을 준비하는 데 사용되었습니다13; 그러나 연조직은 임계값 알고리즘으로 재구성한 CBCT 데이터 세트 위에만 중첩되었습니다. 그러나 재생-재건 수술 중재 및 치과 임플란트 식립에 대한 정확한 3D 가상 계획을 수행하려면 환자의 사실적인 3D 하이브리드 모델이 CBCT 및 IOS 데이터로 구성되어야 합니다.
따라서 이 기사는 재건 치조골 수술 개입 전에 가상 수술 계획을 위한 현실적인 하이브리드 디지털 모델을 획득하는 단계별 방법을 제시하는 것을 목표로 합니다.
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Protocol
이 연구는 헬싱키 선언에 따라 수행되었습니다. 원고를 준비하기 전에 서면 동의서가 제공되고 환자가 서명했습니다. 환자는 프로토콜 시연을 위한 데이터 사용 권한을 부여했습니다.
1. 방사선 영상 처리
- 소프트웨어에 DICOM 파일 로드
- 최신 버전의 의료 영상 소프트웨어를 다운로드하여 엽니다.
알림: 소프트웨어를 열면 홈 화면이 나타납니다. - 사이드바에서 DICOM 데이터 로드 를 클릭합니다.
참고: DICOM 데이터베이스가 팝업되어 이전에 로드된 DICOM 데이터 세트를 보여줍니다.- DICOM 데이터베이스에서 DICOM 파일 가져오기 를 클릭하고 대상 폴더에서 DICOM 데이터 세트를 선택한 다음 가져오기를 클릭합니다.
참고: 새로 추가된 DICOM 데이터셋이 스터디 목록에 나타납니다.
- DICOM 데이터베이스에서 DICOM 파일 가져오기 를 클릭하고 대상 폴더에서 DICOM 데이터 세트를 선택한 다음 가져오기를 클릭합니다.
- 스터디를 선택하고 창 하단의 로드 를 클릭합니다.
참고: DICOM 데이터 세트가 열리고 로드된 데이터의 4가지 보기(관상, 축, 궁상 및 3D)가 표시됩니다. 노드는 왼쪽에 나열됩니다. 이론적으로, 설명된 방법은 이미지 품질(복셀 크기, 아티팩트)에 관계없이 모든 CT 또는 CBCT에서 수행할 수 있습니다. 그러나 고품질 CBCT/CT 스캔의 분할 프로세스는 더 간단하며 고품질 3D 모델을 획득할 수 있습니다. 표시된 CBCT 스캔은 복셀 크기: 150μm, 양극 전압: 84kV, 튜브 전류: 40mA, 시야: 8 x 5cm 매개변수로 수행되었습니다. 프로세스는 어느 단계에서나 중지할 수 있습니다. 종료하기 전에 장면을 저장해야 합니다. 저장하려면 도구 모음의 왼쪽에 있는 저장 아이콘을 클릭하고 "장면 저장" 창에서 상자 아이콘을 클릭하여 "의료 기록 번들"(.mrb)로 저장합니다.
- 최신 버전의 의료 영상 소프트웨어를 다운로드하여 엽니다.
- 볼륨 렌더링(Volume rendering) 및 크롭 볼륨(cropping volume)
- 관심 영역(위턱 또는 아래턱)을 잘라 파일 크기와 렌더링 시간을 줄입니다. 도구 모음의 왼쪽에 표시되는 모듈 막대를 클릭하면 자주 사용하는 모듈이 표시된 스크롤 다운 창이 표시됩니다.
- 드롭다운 창에서 볼륨 렌더링(Volume Rendering ) 모듈을 선택합니다. 볼륨 렌더링을 표시하려면 "볼륨" 막대 옆에 있는 눈 모양 아이콘을 클릭합니다.
- 원하는 사전 설정을 선택하여 볼륨 렌더링을 보고 단단한 조직을 명확하게 볼 수 있을 때까지 "Shift" 슬라이더를 움직입니다.
참고: CBCT 스캔의 경우 CT-Bone 사전 설정을 사용하는 것이 좋습니다. - "Enable(활성화)" 옆의 확인란을 선택하고 "Crop(자르기)" 섹션에서 "Display ROI(ROI 표시)" 옆에 있는 눈 모양 아이콘을 클릭하여 ROI(관심 영역)를 표시합니다.
참고: 모든 2D 뷰와 3D 뷰에서 데이터세트 주위에 와이어프레임 상자가 나타납니다. 상자의 측면을 드래그하면 볼륨이 원하는 영역으로 잘립니다. - "Crop Volume" 모듈에 액세스하여 자르기를 완료합니다. 원본 데이터 세트를 입력 볼륨으로 선택합니다.
참고: 입력 ROI는 이전에 생성된 ROI로 자동 설정됩니다. - "Output volume" 드롭다운 표시줄에서 Create new volume 을 선택하여 새 출력 볼륨을 생성합니다. 고급 설정(advanced settings) 섹션에서 보간된 자르기(Interpolated cropping) 를 선택 취소하고 적용(Apply)을 클릭합니다.
참고: "데이터 모듈"로 돌아가면 새로 잘린 볼륨이 새 노드로 나타납니다.
- CBCT 데이터 세트의 세분화
- 세그멘테이션을 위해 Segment Editor 모듈에 액세스합니다.
참고: 분할은 CBCT 데이터 세트를 기반으로 해부학적 구조의 3D 재구성을 생성하여 보다 접근하기 쉬운 분석을 가능하게 하는 경우입니다. - 이전에 만든 크롭 볼륨을 활성 세그멘테이션의 마스터 볼륨 으로 선택합니다. +Add(추가 )를 클릭하여 추가하고 -Remove(제거 )를 클릭하여 세그먼트를 제거합니다. 그들이 나타낼 해부학적 구조에 따라 이름을 바꾸십시오.
참고: 치조골과 모든 치아는 분할 내에서 별도의 세그먼트가 됩니다. - 치조골의 분할부터 시작합니다. 효과 목록에서 레벨 추적(Level Tracing)을 선택합니다. 이 도구는 픽셀이 선택한 픽셀과 동일한 배경 값을 갖는 영역의 윤곽을 그리는 반자동 도구입니다.
- 2D 뷰 중 하나에서 골격 둘레로 마우스를 드래그하여 선택한 영역 주위에 노란색 선이 나타나도록 하고 마우스 왼쪽 버튼을 눌러 데이터셋의 선택한 슬라이스에 세그먼트를 생성합니다.
참고: 세그멘테이션은 모든 2D 뷰에서 수행할 수 있습니다. 그러나 시상 및 축 방향이 가장 잘 작동합니다. - 페인트 및 지우기 손 도구를 사용하여 세그먼트를 수정하고 "레벨 추적" 도구가 골격의 전체 섹션의 윤곽을 나타내지 않거나 슬라이스에 있는 아티팩트도 포함된 경우 실수를 수정합니다.
- 세그멘테이션을 위해 Segment Editor 모듈에 액세스합니다.
그림 1: "Level Tracing" 반자동 분할 도구를 시상 방향으로 적용. (A) 동일한 배경 값을 가진 픽셀 영역을 노란색 선으로 윤곽선으로 표시합니다. (B) "레벨 추적" 및 후속 수동 분할의 결과. (C) 수동 도구(페인트, 지우기)를 사용하여 반자동 분할을 개선합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
알림: 숫자 키를 사용하여 도구 간 빠른 전환이 가능합니다.
- 뼈 부분에서 치아와 임플란트를 모두 제외합니다. 지우기 도구를 사용하여 치아와 임플란트의 윤곽을 그리고 이를 나타내는 강조 표시된 모든 픽셀을 삭제합니다.
- 선택한 방향의 데이터 세트의 5번째 조각마다 동일한 프로세스를 반복합니다.
참고: Show 3D(3D 표시 )를 클릭하면 세그먼트를 3차원으로 볼 수 있습니다. 스무딩 계수 슬라이더를 0.00으로 설정합니다. - 이 단계가 완료되면 누락된 세그먼트를 계산하고 효과 목록에서 슬라이스 사이 채우기를 선택합니다.
참고: 이 도구는 형태학적 윤곽 보간 알고리즘을 사용하여 이전에 만든 세그먼트를 기반으로 누락된 세그먼트를 계산합니다. - 초기화(Initialize)를 클릭하여 등고선 보간을 활성화하고, 결과가 만족스러우면 적용(Apply)을 클릭합니다. 완료되면 데이터 세트를 스크롤하여 간헐적인 실수를 확인하고 수정합니다.
그림 2: "Fill Between Slices"를 사용한 형태학적 윤곽 보간, 세그먼트의 자동으로 재구성된 부분을 나타내는 연한 녹색 영역. (A) 축 보기. (B) 시상도. (C) 관상동맥 전망. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
참고: 보간이 적용된 세그먼트만 표시되는지 확인합니다. 세그먼트의 가시성은 세그먼트 목록에서 전환할 수 있습니다.
- [매끄럽게 하기] 효과를 사용하여 돌출부를 제거하여 세그먼트 경계를 더 매끄럽게 만듭니다. 스무딩 방법으로 중앙값을 선택하고 괄호 안의 mm 값을 조정하고 적용을 클릭하여 "커널 크기"를 5 x 5 x 5 픽셀로 설정합니다.
- 치조골의 분할이 완료되면 치아의 분할에 대해 동일한 단계를 반복합니다.
그림 3: 완성된 분할, 갈색 세그먼트는 뼈를 나타내고 파란색 세그먼트는 치아를 나타냅니다. (A) 축 보기. (B) 시상도. (C) 관상동맥 전망. (D) 3D 모델은 이전에 생성된 세그먼트에서 자동으로 생성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- "Modify other segments(다른 세그먼트 수정)" 막대를 Allow overlap before tooth segmentation(치아 분할 전 겹침 허용 )으로 설정하여 새로 생성된 세그먼트가 이전에 생성된 세그먼트를 덮어쓰지 않도록 합니다.
- CBCT 데이터셋 및 IOS의 공간 등록
참고: CBCT 데이터 세트와 IOS의 좌표계가 다르기 때문에 공간 등록이 필요합니다.- "보기" 메뉴 모음에서 Extension Manager 를 선택하고 확장 프로그램 설치를 클릭합니다. 오른쪽 모서리에 있는 검색 창에 IGT 를 입력하고 SlicerIGT 확장 프로그램을 설치한 다음 프로그램을 다시 시작합니다.
- 데이터 아이콘을 클릭하고 추가할 파일 선택을 클릭하여 장면의 이전에 저장한 .mrb 파일을 로드합니다.
- 왼쪽 상단 모서리에 있는 데이터 아이콘을 클릭하여 IOS의 .stl 파일을 가져옵니다. "장면에 데이터 추가" 팝업 창에서 추가할 파일 선택을 클릭하고 대상 폴더로 이동하여 IOS의 .stl 파일을 선택하고 열기를 클릭합니다.
- 드롭다운 표시줄에서 Segmentation(분할 )을 선택하여 구강 내 스캔의 .stl 파일을 분할로 추가합니다.
알림: 이제 설치된 "IGT" 모듈이 "모듈" 드롭다운 메뉴에 나타납니다. - 커서를 모듈 위로 이동하고 나타나는 사이드바에서 Fiducial Registration Wizard를 선택합니다.
- "기준점에서" 및 "기준점으로" 섹션의 드롭다운 표시줄에서 새 마크업 기준 만들기 를 선택합니다.
알림: 소프트웨어는 자동으로 두 목록의 이름을 "From"과 "To"로 지정합니다. "From" 목록은 이동 볼륨을 나타내며, 이 경우 IOS가 됩니다. "To" 목록은 CBCT 데이터 세트가 될 고정 볼륨을 나타냅니다. - "From" 섹션의 드롭다운 표시줄 옆에 있는 "Place a markup point" 아이콘을 사용하여 IOS의 잘 정의된 해부학적 랜드마크에 마커 포인트를 배치합니다. 마크업 포인트는 배치 순서대로 번호가 매겨집니다.
알림: 치아의 교두와 앞니 가장자리에 최소 6개의 점을 놓습니다. - 마커를 동일한 위치에 배치하여 CBCT 데이터 세트에서 "받는 사람" 목록을 동일한 순서로 만듭니다. 동일한 번호의 마크업 포인트는 동일한 해부학적 랜드마크를 나타내야 합니다.
- 두 목록이 준비되면 사이드바의 "등록 결과 변환" 섹션에 있는 드롭다운 메뉴에서 새 LinearTransform 만들기 를 선택하여 변환을 만듭니다.
- "변환" 모듈에 액세스하고 이전에 만든 변환을 활성 변환으로 선택합니다. "Apply transform(변환 적용)" 섹션에서 IOS 세그멘테이션 및 "From" 마크업 목록을 "Transformable(변환 가능)" 상자에서 "Transformed(변환됨)" 상자로 이동하여 CBCT 데이터 세트에 IOS를 겹칩니다.
그림 4: 잘 정의된 해부학적 랜드마크에 기준 마커를 배치하여 IOS의 공간 정합. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
참고: 필요한 경우 마크업 점을 이동하거나 점을 추가하여 변환의 정확도를 향상시킬 수 있습니다.
2. 자유형 서피스 모델링을 위해 모델을 .stl 파일로 내보내기
- 일치하는 경조직 및 연조직 모델을 내보내 분할 및 공간 정합 후 추가 표면 모델링을 수행할 수 있습니다.
- Segmentations(분할) 모듈로 이동하여 치조골 및 치아 모델을 활성 분할로 사용하여 분할을 선택합니다. "파일로 내보내기" 섹션까지 아래로 스크롤하고 대상 폴더를 선택한 다음 파일 형식으로 STL을 선택합니다.
- 단일 파일로 병합 상자의 선택을 취소하고 좌표계를 RAS로 설정한 다음 내보내기를 클릭합니다.
- 별도의 세그멘테이션으로 표시되는 IOS에 대해 동일한 프로세스를 반복하고 장면을 저장한 다음 이미징 소프트웨어를 닫습니다.
3. 자유형 곡면 모델링
- 서피스 스무딩
- CAD 소프트웨어를 열고 홈 화면에서 가져오기를 클릭합니다. 이전에 DICOM 이미지 처리 소프트웨어에서 내보낸 .stl 모델을 선택합니다.
참고: 이전에 스무딩을 수행했더라도 CBCT 데이터 세트에서 재구성된 모델의 표면은 여전히 픽셀화되어 표시되므로 추가 표면 스무딩이 필요합니다. - 메뉴 바에서 스컬프트(Sculpt) 로 이동하고 브러시 인벤토리에서 어댑티브 리듀스(Adaptive reduce) 를 선택합니다.
알림: 브러시 크기와 강도는 스무딩의 양에 따라 조정해야 합니다.
- CAD 소프트웨어를 열고 홈 화면에서 가져오기를 클릭합니다. 이전에 DICOM 이미지 처리 소프트웨어에서 내보낸 .stl 모델을 선택합니다.
- IOS에서 치아 크라운을 분리합니다.
알림: 치아 크라운은 세그먼트 모델보다 IOS에서 더 정확하게 표시됩니다. 따라서 분할된 치아 모델의 크라운은 IOS의 크라운으로 교체해야 합니다.- 사이드바에서 [선택 ]을 클릭하고 선택 도구로 [브러시 ]를 선택합니다. 브러시 둘러싸기 해제 브러시 모드를 사용하여 브러시의 크기를 조정합니다. 브러시를 사용하여 IOS의 가장자리 치은이 올 때까지 각 치아의 크라운을 선택합니다.
참고: 선택한 표면은 주황색으로 표시됩니다. - 커서를 사이드바에서 Modify(수정 )로 이동하고 Smooth Boundary(경계 부드럽게 )를 선택합니다. 결과가 만족스러우면 적용 을 클릭합니다.
참고: 이제 선택 영역의 경계가 가장자리 치은을 정확하게 따릅니다. - 선택 사이드바에서 Edit(편집)로 이동하고 Separate(분리)를 클릭하여 선택한 영역에서 개별 개체를 만듭니다.
- 모든 치아에 대해 동일한 과정을 반복합니다.
- 메뉴 바에서 Analysis(분석 )로 이동하고 Inspect(검사)를 선택합니다.
알림: 프로그램은 모델의 오류를 표시합니다. 구멍은 파란색으로 표시됩니다. - "구멍 채우기 모드"로 플랫 채우 기를 선택하고 모두 자동 복구 를 클릭하여 IOS 모델과 분리된 치아 모델에서 닫힌 모델을 생성합니다. Sculpt 로 이동하여 Shrinksmooth 브러시를 사용하여 채워진 구멍의 가장자리를 매끄럽게 합니다.
- 모든 치아 크라운과 나머지 IOS에 대해 이 과정을 반복합니다.
- 사이드바에서 [선택 ]을 클릭하고 선택 도구로 [브러시 ]를 선택합니다. 브러시 둘러싸기 해제 브러시 모드를 사용하여 브러시의 크기를 조정합니다. 브러시를 사용하여 IOS의 가장자리 치은이 올 때까지 각 치아의 크라운을 선택합니다.
- 치아의 크라운을 분할된 치아 모델과 병합합니다.
알림: 공간 정합이 올바르게 수행된 경우 IOS의 치아 크라운과 분할된 치아의 크라운 위치가 일치해야 합니다.- 분할된 치아 모델이 IOS에서 분리된 치아 크라운으로 완전히 덮일 때까지 Shrinksmooth 브러시를 사용합니다.
참고: 세그멘테이션과 IOS의 결함으로 인해 크라운이 항상 완전히 겹치는 것은 아닙니다. - 개체 브라우저에서 분리된 크라운과 동일한 치아의 분할된 모델을 모두 선택합니다. 사이드바가 나타나면 Boolean union(부울 유니온)을 선택하고 Accept(수락)를 클릭합니다.
알림: 이제 분할된 톱니 모델의 크라운이 IOS에서 분리된 크라운으로 대체됩니다. - Shrinksmooth를 사용하여 전환을 매끄럽게 합니다.
- 분할된 치아 모델이 IOS에서 분리된 치아 크라운으로 완전히 덮일 때까지 Shrinksmooth 브러시를 사용합니다.
- 뺄셈 및 모델 구성
- 임상 상황을 사실적으로 표현하기 위해 연조직 모델에서 뼈 모델을 뺍니다.
참고: 치아가 없는 원래 IOS는 연조직의 모델이 되었습니다. - 오브젝트 브라우저에서 뼈 및 연조직 모델을 모두 선택하고 부울 차이(Boolean Difference)를 선택합니다.
- Shrinksmooth 브러시를 사용하여 전환을 매끄럽게 하고 연조직 모델의 아래쪽에서 돌출부를 제거합니다.
- 동일한 프로세스와 부드러운 전이를 사용하여 연조직 모델에서 치아를 뺍니다.
- 임상 상황을 사실적으로 표현하기 위해 연조직 모델에서 뼈 모델을 뺍니다.
- 색상 모델
- 치아, 연조직, 치조골이 서로 분리되어 임상 상황을 3D로 표현하여 모델이 완성되었으므로 모델의 표면을 채색하여 보다 사실적으로 보이게 합니다.
- 사이드바에서 조각(Sculpt )을 선택하고 작은 슬라이더를 볼륨( Volume )에서 서피스(Surface)로 전환합니다.
- 브러시 인벤토리에서 PaintVertex 를 선택하고 사이드바의 색상 섹션에 있는 색상환을 사용하여 원하는 색상을 선택합니다. 각 모델의 표면을 채색합니다(예: 뼈: 갈색, 연조직: 분홍색, 치아: 흰색).
애니메이션 그림 1: 가상 수술 계획을 위해 준비된 최종 컬러 모델의 애니메이션. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Representative Results
가상 허용 3차원(3D) 모델은 방사선 이미지 분할, 공간 정합 및 자유 형식 모델링을 사용하여 생성할 수 있습니다. 모델은 임상 상황을 디지털 방식으로 묘사하여 다양한 외과적 개입을 3차원으로 계획할 수 있습니다. 뼈와 치아를 분리하여 분할하면 두 해부학적 구조 사이의 경계가 보이고, 3D 형태 및 치주 골내 결손의 국소화를 평가해야 합니다. 급성 및 만성 치조골 융기 결손의 중증도, 범위 및 형태는 인접 치아와 관련하여 평가할 수 있습니다. 의료 영상 처리 소프트웨어 인벤토리에서 볼 수 있는 다양한 반자동 분할 도구(그림 1)(그림 2)(예: 가장자리 감지 도구, 형태학적 윤곽 보간 알고리즘)는 분할 기간을 줄여줍니다(그림 3). 그러나 치아와 치조골의 복셀 강도 값이 유사하기 때문에 두 가지를 손으로 분리해야 하므로 시간이 많이 걸릴 수 있습니다. 분할 프로세스는 CBCT 스캔에 존재하는 아티팩트에 의해서도 방해를 받습니다.
IOS 및 후속 CAD 모델링의 중첩을 통해 임상 상황을 3차원으로 볼 수 있습니다. 치아는 IOS 모델에서 연조직과 분리되어 있습니다(그림 4). IOS의 치아 크라운은 임상 상황을 더 정확하게 표현하는 반면 CBCT 스캔의 아티팩트와 산란은 손상되기 때문에 치아의 3D 모델은 CBCT와 IOS 데이터에서 결합됩니다. IOS와 CBCT 연조직의 중첩을 통해 무치악 융기 위의 두께를 기본 뼈 치수에 대해 평가할 수 있습니다. 따라서 피판 설계 및 수술용 피판 관리를 결정할 수 있으며 간헐적인 합병증을 피할 수 있습니다(애니메이션 그림 1).
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Discussion
제시된 프로토콜을 사용하면 치주 및 폐포 결손 형태를 3차원(3D)으로 시각화할 수 있으므로 2D 진단 방법 및 임계값 알고리즘으로 생성된 3D 모델보다 임상 상황을 더 정확하게 묘사할 수 있습니다. 프로토콜은 (1) CBCT 데이터 세트의 반자동 분할, (2) CBCT 및 IOS의 공간 등록, (3) 자유 형식 표면 모델링의 세 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다. 기술적으로, 분할은 임의의 3차원 방사선 이미지 상에서 수행될 수 있고; 그러나 품질이 낮은 데이터 세트를 재구성하는 것은 더 어렵습니다. 따라서 더 작은 복셀 크기(~120μm), 튜브 전류(12mA) 및 양극 전압(80kV)이 권장됩니다14. 교합면에서 많은 양의 산란이 발생하기 때문에 CBCT 이미징 중에 교합 공간을 보존해야 합니다.
반자동 세그멘테이션 프로세스의 특정 단계는 자동화되어 있지만 일부 작업에는 여전히 수동으로 세그멘테이션이 필요하므로 프로세스 기간이 길어집니다. 분할 기간을 단축하기 위해, 치아와 뼈의 빠른 자동 분할을 위해 인공 지능 기반(AI) 컨볼루션 신경망이 개발되었다15,16. 기계 학습에서 이미지 분석을 위한 컨볼루션 신경망은 이미지의 특징이 유사해야 하는 샘플 데이터베이스에서 표현 학습을 통해 개발됩니다. 그러나 치주 및 치조 결손의 형태학적 다양성, 방사선 밀도의 차이, 병리학적 영역에서의 피질화 부족으로 인해 AI 기반 세분화 결과가 손상될 수 있습니다. 기계 학습 알고리즘은 생리적 조직 조건에서 안정적으로 작동합니다.
CBCT 데이터를 통한 IOS의 공간 등록은 구강악안면 수술9,10, 임플란트 식립(11,12) 및 치주 수술(7,13)을 계획하는 데 활용되었지만, 자유 형식 모델링은 적용되지 않았습니다. 일련의 부울 연산을 통해 사실적인 하이브리드 모델을 획득하고 외과적 개입을 가상으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 디지털 렌더는 3D 프린팅 기술로 제조하여 수술 전에 연구 모델을 생성할 수도 있습니다.
현재 방법의 장점은 무료 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 전체 프로세스를 수행할 수 있다는 것입니다. 그러나 학습 곡선이 있으며 사용자는 방사선 이미지 처리 및 자유 형식 CAD 모델링에 익숙해져야 합니다. 이 방법의 가장 큰 단점은 프로세스의 상대적으로 긴 기간과 반복적인 특성입니다. 따라서 워크플로의 특정 단계를 자동화하고 단순화하여 기간을 단축하기 위한 개선이 필요합니다.
3차원 설계 및 CAD 모델링은 다양한 재건 수술 개입을 계획하는 데 활용되었습니다. 치주 진단에서는 CBCT 이미지 재구성으로 생성된 3D 모델이 수술 전 골내 결손 형태 평가 및 수술 치료 계획에 사용되고 있었다7. CAD/CAM 동종 골 블록은 온레이 이식에 활용되었다17. 개별적으로 제작된 티타늄 메쉬(18 )는 유도된 골 재생에서 장벽막으로서 적용되었다; 그러나 연조직 모델은 계획 과정에 포함되지 않았습니다. 유도 임플란트 식립은 높은 신뢰성으로 일상적인 치과 진료에서 일상적으로 수행된다19.
그럼에도 불구하고 대부분의 임플란트 가이드 소프트웨어는 복잡한 조직의 3D 재구성을 위해 임계값 알고리즘을 활용합니다. 이론적으로 3D 렌더링에서 계획이 가능하지만 뼈 모델의 품질이 낮기 때문에 임플란트 위치는 주로 CBCT 데이터 세트의 축, 궁상 및 코로나 2D 뷰에서 계획됩니다. 현실의 또 다른 레이어를 추가하기 위해 무료 모바일 애플리케이션으로 획득한 디지털 얼굴 스캔이 향후 추가될 수 있습니다.
방사선 이미지 분할, 공간 정합 및 자유형 표면 모델링의 시퀀스를 통해 사실적인 환자별 가상 모델을 획득하여 재건 수술 개입을 계획할 수 있습니다. 뼈, 치아 및 연조직의 가상 3D 묘사를 통해 수술 개입의 각 단계(예: 절개, 피판 준비, 재생 전략, 피판 봉합)를 가상으로 사전 설계하고 시뮬레이션할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
Acknowledgments
없음
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3DSlicer | 3DSlicer (The software was first developed at Queen’s University Canada and since it is open source it is constantly developed by it’s community) | 4.13.0-2021-03-19 | Open source radiographic image processing software platform. Software is primarily intended for general medicine, however the wide range of segmentation an modelling tools allow it’s use for dental purposes as well |
| Meshmixer | Autodesk Inc. | 3.5 | Open source free form surface modelling software developed for prototype development and basic 3D sculpting. However, due to the usefulness of tools for dental purpose, not just 3D models, but even static guides for navigated surgery can be designed. |
References
- Jacobs, R., Salmon, B., Codari, M., Hassan, B., Bornstein, M. Cone beam computed tomography in implant dentistry: recommendations for clinical use. BMC Oral Health. 18 (1), 88 (2018).
- Mangano, F., Gandolfi, A., Luongo, G., Logozzo, S. Intraoral scanners in dentistry: a review of the current literature. BMC Oral Health. 17 (1), 149 (2017).
- Pauwels, R., Araki, K., Siewerdsen, J. H., Thongvigitmanee, S. S. Technical aspects of dental CBCT: state of the art. Dentomaxillofacial Radiology. 44 (1), 20140224 (2015).
- Queiroz, P. M., Santaella, G. M., Groppo, F. C., Freitas, D. Q. Metal artifact production and reduction in CBCT with different numbers of basis images. Imaging Science in Dentistry. 48 (1), 41-44 (2018).
- Scarfe, W. C., Azevedo, B., Pinheiro, L. R., Priaminiarti, M., Sales, M. A. O. The emerging role of maxillofacial radiology in the diagnosis and management of patients with complex periodontitis. Periodontology 2000. 74 (1), 116-139 (2017).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the Quantitative Imaging Network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Palkovics, D., Mangano, F. G., Nagy, K., Windisch, P. Digital three-dimensional visualization of intrabony periodontal defects for regenerative surgical treatment planning. BMC Oral Health. 20 (1), 351 (2020).
- Papadiochou, S., Pissiotis, A. L. Marginal adaptation and CAD-CAM technology: A systematic review of restorative material and fabrication techniques. Journal of Prosthetic Dentisty. 119 (4), 545-551 (2018).
- Xia, J. J., et al. Algorithm for planning a double-jaw orthognathic surgery using a computer-aided surgical simulation (CASS) protocol. Part 1: planning sequence. International Journal of Oral Maxillofacial Surgery. 44 (12), 1431-1440 (2015).
- Xia, J. J., et al. Algorithm for planning a double-jaw orthognathic surgery using a computer-aided surgical simulation (CASS) protocol. Part 2: three-dimensional cephalometry. International Journal of Oral Maxillofacial Surgery. 44 (12), 1441-1450 (2015).
- Lee, C. Y., Ganz, S. D., Wong, N., Suzuki, J. B. Use of cone beam computed tomography and a laser intraoral scanner in virtual dental implant surgery: part 1. Implant Dentistry. 21 (4), 265-271 (2012).
- Ganz, S. D. Three-dimensional imaging and guided surgery for dental implants. Dental Clinics of North America. 59 (2), 265-290 (2015).
- Güth, J. F., Kauling, A. E. C., Schweiger, J., Kühnisch, J., Stimmelmayr, M. Virtual simulation of periodontal surgery including presurgical CAD/CAM fabrication of tooth-colored removable splints on the basis of CBCT Data: A case report. The International Journal of Periodontics & Restorative Dentistry. 37 (6), 310-320 (2017).
- Pauwels, R., et al. Effective radiation dose and eye lens dose in dental cone beam CT: effect of field of view and angle of rotation. The British Journal of Radiology. 87 (1042), 20130654 (2014).
- Li, Q., Chen, K., Han, L., Zhuang, Y., Li, J., Lin, J. Automatic tooth roots segmentation of cone beam computed tomography image sequences using U-net and RNN. Journal of X-ray Science and Technology. 28 (5), 905-922 (2020).
- Lahoud, P., et al. Artificial intelligence for fast and accurate 3D tooth segmentation on CBCT. Journal of Endodontics. 47 (5), 827-835 (2021).
- Blume, O., Donkiewicz, P., Back, M., Born, T. Bilateral maxillary augmentation using CAD/CAM manufactured allogenic bone blocks for restoration of congenitally missing teeth: A case report. Journal of Esthetic and Restorative Dentistry. 31 (3), 171-178 (2019).
- Hartmann, A., Seiler, M. Minimizing risk of customized titanium mesh exposures - a retrospective analysis. BMC Oral Health. 20 (1), 36 (2020).
- Varga, E., et al. Guidance means accuracy: A randomized clinical trial on freehand versus guided dental implantation. Clinical Oral Implants Research. 31 (5), 417-430 (2020).
