用于重建牙槽外科手术虚拟规划的数字混合模型制备

摘要

基于锥形束计算机断层扫描数据集和口内光学扫描，利用射线照相图像分割方法和自由曲面建模，设计了一种创建三维 （3D） 虚拟混合模型的工作流程。数字模型用于重建牙槽外科手术的虚拟规划。

摘要

本文介绍了虚拟混合三维 （3D） 模型采集，利用射线照相图像分割、空间配准和自由曲面建模的顺序。首先，采用半自动分割方法重建锥形束计算机断层扫描数据集;牙槽骨和牙齿被分成不同的部分，允许评估牙周骨内缺损的 3D 形态和定位。急性和慢性牙槽嵴缺损的严重程度、范围和形态在相邻牙齿上得到验证。在虚拟复杂组织模型上，可以 3D 规划种植牙的位置。利用IOS和CBCT数据的空间配准以及随后的自由曲面建模，可以获取逼真的3D混合模型，可视化牙槽骨、牙齿和软组织。通过IOS和CBCT软组织的叠加，可以评估无牙颌嵴上方的厚度，了解下面的骨尺寸;因此，可以确定皮瓣设计和手术皮瓣管理，并避免偶尔的并发症。

引言

牙科技术的进步使计算机辅助治疗计划和外科手术和假肢康复的模拟成为可能。数字牙科中 3D 数据采集的两种基本方法是:（1） 锥形束计算机断层扫描 （CBCT）¹ 和 （2） 口内光学扫描 （IOS）²。可以使用这些工具获取所有相关解剖结构（牙槽骨、牙齿、软组织）的数字信息，以规划牙槽重建手术。

锥形束技术于1996年由意大利研究小组首次引入。CBCT具有显著更低的辐射剂量和更高的分辨率（与传统的计算机断层扫描相比），已迅速成为牙科和口腔外科中最常用的3D成像方式³。CBCT 通常用于规划不同的外科手术（例如，牙周再生手术、牙槽嵴增大、种植牙放置、正颌手术）¹。CBCT 数据集可以在提供 2D 图像和 3D 渲染的射线成像软件中查看和处理，但是，大多数成像软件使用基于阈值的算法进行 3D 图像重建。阈值方法设置体素灰色值区间的上限和下限。介于这些边界之间的体素将以 3D 形式渲染。这种方法可以快速获取模型;然而，由于该算法无法将解剖结构与金属伪影和散射区分开来，因此 3D 渲染非常不准确，诊断价值很小 ^4,5。由于上述原因，牙科中的许多领域仍然依赖于传统的 2D 射线照片（口内 X 光片、全景 X 射线）或 CBCT 数据集的 2D 图像⁵。我们的研究小组在最近发表的一篇文章中提出了一种半自动图像分割方法，使用开源射线照相图像处理软件⁶，其中对 CBCT 数据集进行基于解剖学的 3D 重建⁷。在这种方法的帮助下，解剖结构与金属制品区分开来，更重要的是，牙槽骨和牙齿可以分离。因此，可以获得硬组织的逼真虚拟模型。3D模型用于评估骨内牙周缺损，并用于再生牙周手术前的治疗计划。

口内光学表面扫描仪提供有关临床状况（临床牙冠和软组织）的数字信息。这些设备的最初目的是直接获取患者的数字模型，以便使用计算机辅助设计 （CAD） 和计算机辅助制造 （CAM） 技术规划和制造假牙⁸。然而，由于应用范围广泛，它们的使用很快被应用于牙科的其他领域。颌面外科医生将 IOS 和 CBCT 结合到一个混合设置中，可用于虚拟截骨术和正颌手术的数字规划 ^9,10。种植牙可能是最常使用数字规划和指导执行的领域。导航手术消除了与植入物错位相关的大多数并发症。CBCT数据集和IOS的立体光刻（.stl）文件的组合通常用于规划引导种植体放置和静态种植体钻孔导轨^{的制造11,12}。叠加在 CBCT 数据集上的口内扫描也被用于制备美学冠延长术¹³;然而，软组织仅叠加在用阈值算法重建的 CBCT 数据集上。然而，为了对再生重建手术干预和种植牙放置进行准确的 3D 虚拟规划，患者的逼真 3D 混合模型必须由 CBCT 和 IOS 数据组成。

因此，本文旨在提出一种分步方法，在重建牙槽手术干预之前获得用于虚拟手术计划的逼真的混合数字模型。

研究方案

这项研究完全按照《赫尔辛基宣言》进行。在准备手稿之前，提供书面知情同意书并由患者签字。患者授予了用于演示协议的数据使用权限。

1. 射线照相图像处理

1. 将 DICOM 文件加载到软件中
   1. 下载最新版本的医学成像软件并打开它。
      注意: 打开软件后，将出现主屏幕。
   2. 单击侧边栏上的 加载 DICOM 数据 。
      注意:将弹出 DICOM 数据库，显示之前加载的 DICOM 数据集。
      1. 单击 导入 DICOM 数据库中的 DICOM 文件 ，选择目标文件夹中的 DICOM 数据集，然后单击 导入。
         注意:新添加的DICOM数据集将出现在研究列表中。
   3. 选择算例，然后单击窗口底部的 加载 。
      注意:将打开 DICOM 数据集，并显示加载数据的四个视图（冠状、轴向、矢状和 3D）。节点列在左侧。从理论上讲，所描述的方法可以在任何CT或CBCT上执行，而不管图像质量如何（体素大小，伪影）。然而，更高质量的CBCT/CT扫描的分割过程更直接，可以获得更高质量的3D模型。使用以下参数进行所示的 CBCT 扫描:体素尺寸:150 μm，阳极电压:84 kV，管电流:40 mA，视场:8 x 5 cm。该过程可以在任何阶段停止;请确保在退出之前保存场景。要保存，请单击工具栏左侧的保存图标，然后单击"保存场景"窗口中的框图标将其保存为"病历包"（.mrb）。
2. 体积渲染和裁剪体积
   1. 裁剪感兴趣区域（上颚或下颚）以减少文件大小和渲染时间。单击工具栏左侧可见的 "模块 "栏可查看显示常用模块的向下滚动窗口。
   2. 从下拉窗口中选择 "体积渲染 "模块。要使体积渲染可见，请单击"体积"栏旁边 的眼睛 图标。
   3. 选择所需的预设以查看体积渲染并移动"Shift"滑块，直到可以清楚地查看硬组织。
      注意: 对于 CBCT 扫描，建议使用 CT-Bone 预设。
   4. 选中"启用"旁边的框，然后单击"裁剪"部分中"显示 ROI"旁边 的眼睛 图标，使 ROI（感兴趣区域）可见。
      注: 将出现所有 2D 视图和 3D 视图中数据集周围的线框框。通过拖动框的两侧，卷将被裁剪到所需的区域。
   5. 访问"裁剪体积"模块以完成裁剪。选择原始数据集作为输入体积。
      注意:输入 ROI 会自动设置为之前创建的 ROI。
   6. 从"输出卷"下拉栏中选择 创建新卷 以创建新的输出卷。取消选中高级设置部分中的 插值裁剪 ，然后单击 应用。
      注意:返回"数据模块"时，新裁剪的卷将显示为新节点。
3. CBCT数据集的分割
   1. 访问 区段编辑器 模块进行区段。
      注意:分割是指基于 CBCT 数据集生成解剖结构的 3D 重建，以便进行更易于访问的分析。
   2. 选择先前创建的裁剪卷作为活动分段的 主卷 。单击" +添加 "进行添加，单击 "-删除 "以删除区段。根据它们将代表的解剖结构重命名它们。
      注意:牙槽骨和所有牙齿将是分割中的独立部分
   3. 从牙槽骨的分割开始。从效果列表中，选择 "色阶描摹"，这是一种半自动工具，用于勾勒出像素与所选像素具有相同背景值的区域。
   4. 在其中一个 2D 视图上将鼠标拖动到骨骼的周边，以在所选区域周围显示一条黄线，然后按 鼠标左键 在数据集的选定切片上生成线段。
      注意:可以在任何 2D 视图中进行分割;然而，矢状和轴向方向效果最好。
   5. 如果"水平描摹"工具未勾勒出骨骼的整个部分，或者切片上还存在伪影，请使用 "绘制 和 擦除 "手部工具修改线段并纠正错误。

图1:"水平追踪"半自动分割工具在矢状面方向上的应用。（A） 用黄线勾勒出具有相同背景值的像素区域。 （B） "电平追踪"和随后的人工分段结果。 （C） 借助手动工具（绘画、擦除）改进半自动分割。 请点击这里查看此图的较大版本.

注意: 使用数字键允许在工具之间快速切换。

6. 将牙齿和种植体排除在骨段之外。使用 "擦除 "工具勾勒出牙齿和种植体的轮廓，并删除代表它们的所有突出显示的像素。
7. 在所选方向的数据集的每 5^个 切片上重复相同的过程。
   注: 单击 "显示 3D "以三维方式查看分割。将平滑系数滑块设置为 0.00。
8. 完成此阶段后计算缺失的线段 - 从效果列表中选择 "在切片之间填充 "。
   注: 此工具根据之前使用形态等值线插值算法创建的线段来计算缺失的线段。
9. 单击 "初始化"（Initialize ） 以激活等值线插值，如果结果令人满意，请单击 "应用"（Apply）。完成后滚动浏览数据集，以检查和纠正偶尔的错误。

图 2:带有"切片之间填充"的形态等值线插值，浅绿色区域表示线段的自动重建部分。（A） 轴向视图。（B）矢状面。（C） 日冕视图。请点击这里查看此图的较大版本.

注: 确保只有应用插值的线段可见。可以在区段列表中切换区段的可见性。

10. 通过使用"平滑"（Smoothing） 效果移除突起，使线段边界更平滑。选择"中位数"作为平滑方法，并通过调整括号中的 mm 值并单击"应用"，将"内核大小"设置为 5 x 5 x 5 像素。
11. 牙槽骨分割完成后，重复相同的牙齿分割步骤。

图 3:完成的分割，棕色段代表骨骼，蓝色段代表牙齿。（A） 轴向视图。 （B） 矢状面。 （C） 日冕视图。 （D） 3D 模型是从之前创建的线段自动生成的。 请点击这里查看此图的较大版本.

12. 将"修改其他段"栏设置为允许在齿段前 重叠 ，以便新创建的段不会覆盖先前创建的段。

4. CBCT数据集与IOS的空间配准
   注意:空间配准是必要的，因为 CBCT 数据集和 IOS 的坐标系不同。
   1. 从"视图"菜单栏中选择 扩展管理器 ，然后单击 安装扩展。在右上角的搜索栏中输入 IGT ，安装 SlicerIGT 扩展并重新启动程序。
   2. 通过单击" 数据 "图标和 选择要添加的文件来加载以前保存的场景的 .mrb 文件。
   3. 通过单击左上角 的数据图标导入 IOS的.stl文件。在"将数据添加到场景中"弹窗中，单击 "选择要添加的文件"，进入目标文件夹，选择IOS的.stl文件，然后单击 "打开"。
   4. 通过从下拉栏中选择 "分割" ，将口内扫描的 .stl 文件添加为分割。
      注意:已安装的"IGT"模块现在将出现在"模块"下拉菜单中。
   5. 将光标移到模块上，然后在出现的侧边栏中选择 Fiducial Registration Wizard。
   6. 从"从基准点"和"到基准点"部分的下拉栏中选择 "创建新标记 基准点"。
      注意:软件会自动将两个列表命名为"From"和"To"。"From"列表表示移动卷，在本例中为 IOS。"To"列表表示固定卷，该卷将是 CBCT 数据集。
   7. 使用"从"部分下拉栏旁边的"放置标记点"图标将标记点放置在IOS上定义明确的解剖标志上。标记点将按放置顺序编号。
      注意:在牙齿的尖端和切口边缘放置至少 6 个点。
   8. 将标记放在相同的位置以创建"收件人"列表，并在 CBCT 数据集上以相同的顺序。具有相同编号的标记点必须表示相同的解剖标志。
   9. 在两个列表准备就绪后，从侧边栏的"注册结果转换"部分的下拉菜单中选择 "创建新的 LinearTransform "来创建转换。
   10. 访问"转换"模块，然后选择之前创建的转换作为 活动转换。在"应用转换"部分，将 IOS 分段和"发件人"标记列表从"可转换"框移动到"转换"框，以将 IOS 叠加到 CBCT 数据集上。

图 4:通过在定义明确的解剖标志上放置基准标记来对 IOS 进行空间配准。 请点击这里查看此图的较大版本.

注: 如有必要，可以通过移动标记点或添加其他点来提高变换的准确性。

2. 将模型导出为 .stl 文件，以进行自由曲面建模

1. 导出匹配的硬组织和软组织模型，以便在分割和空间配准后进行进一步的表面建模。
2. 转到 "分割 "模块，然后选择以牙槽骨和牙齿模型作为活动分割的分割。向下滚动到"导出到文件"部分，选择目标文件夹，然后选择 STL 作为文件格式。
3. 取消选中 合并到单个文件 框，将坐标系设置为 RAS，然后单击 导出。
4. 对IOS重复相同的过程，显示为单独的分段，保存场景，然后关闭成像软件。

3. 自由曲面建模

1. 表面平滑
   1. 打开 CAD 软件，然后在主屏幕上单击 导入。选择之前从 DICOM 图像处理软件导出的 .stl 模型。
      注意:即使之前执行了平滑处理，从 CBCT 数据集重建的模型的表面仍将显示像素化，因此需要进一步的表面平滑。
   2. 转到菜单栏中的 "雕刻 "，然后从画笔清单中选择 "自适应缩减"。
      注意: 必须根据平滑量调整画笔大小和强度。
2. 将牙冠与IOS分开
   注意:IOS上对牙冠的描述比分段模型更准确;因此，分段牙齿模型的牙冠必须替换为 IOS 的牙冠。
   1. 单击边栏中的 "选择 "，然后选择 "画笔 "作为选择工具。使用 展开画笔 画笔模式并调整画笔的大小。使用刷子，在IOS上选择每颗牙齿的牙冠，直到边缘牙龈。
      注: 选定的曲面以橙色表示。
   2. 将光标移动到边栏中的 "修改 "，然后选择 "平滑边界"。 如果结果令人满意，请单击 "应用 "。
      注意:现在，选择的边界精确地遵循边缘牙龈。
   3. 转到"选择"边栏中的"编辑"，然后单击"分离"以从所选区域创建单个对象。
   4. 对所有牙齿重复相同的过程。
   5. 转到菜单栏中的 "分析 "，然后选择" 检查"。
      注意:程序将指示模型中的错误。孔标有蓝色。
   6. 选择 "平面填充 "作为"孔填充模式"，然后单击" 全部自动修复 "，以从IOS模型和分离的齿模型创建闭合模型。转到 "雕刻 "（Sculpt） 并使用 Shrinksmooth 画笔平滑填充孔的边缘。
   7. 对所有牙冠和 IOS 的其余部分重复该过程。
3. 将牙冠与分段的牙齿模型合并。
   注意:如果空间配准正确，则 IOS 上的牙冠位置和分段牙齿的牙冠应匹配。
   1. 在分段牙模型上使用 Shrinksmooth 刷子，直到它们完全被与 IOS 分离的牙冠覆盖。
      注意:由于分段和 IOS 的缺陷，表冠并不总是完全重叠。
   2. 在 "对象浏览器"（Object Browser） 中同时选择分离的牙冠和同一牙齿的分段模型。在显示的边栏中，选择 "布尔联合"，然后单击 "接受"。
      注意:现在，分段齿模型的牙冠被与IOS分离的牙冠所取代。
   3. 使用 Shrinksmooth 平滑过渡。
4. 减法和模型组成
   1. 从软组织模型中减去骨骼模型，以真实地表示临床情况。
      注意:没有牙齿的原始IOS成为软组织的模型。
   2. 在 "对象浏览器 "中同时选择骨骼和软组织模型，然后选择" 布尔差值"。
   3. 使用 Shrinksmooth 刷子平滑过渡，并去除软组织模型底部的突起。
   4. 使用相同的过程和平滑过渡从软组织模型中减去牙齿。
5. 颜色模型
   1. 对模型的表面进行着色，以提供更逼真的外观，因为模型现在已经完成，牙齿、软组织和牙槽骨彼此分离，以 3D 形式表示临床情况。
   2. 从侧边栏中选择 "雕刻 "，然后将小滑块从 "体积 "切换到 "表面"。
   3. 从画笔库存中选择" 画顶点"（PaintVertex ），然后使用侧边栏" 颜色 "（Color） 部分中的色轮选择所需的颜色。为每个模型的表面着色（例如，骨骼:棕色，软组织:粉红色，牙齿:白色）

动画图 1:最终彩色模型的动画，准备进行虚拟手术计划。请点击这里下载此图。

结果

可以使用射线照相图像分割、空间配准和自由形式建模生成虚拟允许的三维 （3D） 模型。这些模型以数字方式描绘了临床情况，使各种手术干预的三维规划成为可能。通过骨骼和牙齿的单独分割，可以看到两个解剖结构之间的边界，将评估牙周骨内缺损的 3D 形态和定位。急性和慢性牙槽嵴缺损的严重程度、范围和形态可以针对邻近牙齿进行评估。在医学图像处理软件清单中发现的各种半自动分?...

讨论

通过所提出的方案，牙周和肺泡缺损形态可以在三维 （3D） 中可视化，提供比 2D 诊断方法和使用阈值算法生成的 3D 模型更准确的临床情况描述。该协议可分为三个主要阶段:（1）CBCT数据集的半自动分割，（2）CBCT和IOS的空间配准，以及（3）自由曲面建模。从技术上讲，可以在任何三维射线照相图像上进行分割;然而，重建低质量的数据集更具挑战性。因此，建议使用较小的体素尺寸 （~ 120 μm）?...

材料

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.