אמינות שילוב טומוגרפיה ממוחשבת מבוססת בינה מלאכותית של קרן חרוט עם תמונות שיניים דיגיטליות

Summary

תהליך של רישום סריקות טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט ותמונות שיניים דיגיטליות הוצג באמצעות בינה מלאכותית (AI) - זיהוי בעזרת ציוני דרך ומיזוג. השוואה עם רישום מבוסס פני שטח מראה כי דיגיטציה ואינטגרציה מבוססות בינה מלאכותית הן אמינות וניתנות לשחזור.

Abstract

מחקר זה נועד להציג דיגיטציה ואינטגרציה של טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט (CBCT) ואינטגרציה של תמונות דנטליות דיגיטליות (DDI) המבוססות על רישום מבוסס בינה מלאכותית (AI) (ABR) ולהעריך את המהימנות והשחזור באמצעות שיטה זו בהשוואה לאלה של רישום מבוסס פני שטח (SBR). מחקר רטרוספקטיבי זה כלל תמונות CBCT ו- DDI של 17 חולים שעברו ניתוח אורתוגנתי בימקסילרי בעזרת מחשב. הדיגיטציה של תמונות CBCT והשילוב שלהן עם DDI חזרו על עצמם באמצעות תוכנה מבוססת בינה מלאכותית. תמונות CBCT ו-DDI שולבו באמצעות רישום מנקודה לנקודה. לעומת זאת, בשיטת SBR, שלושת ציוני הדרך זוהו ידנית על CBCT ו- DDI, אשר שולבו עם שיטת הנקודות הקרובות האיטרטיביות.

לאחר שתי אינטגרציות חוזרות ונשנות של כל שיטה, התקבלו ערכי הקואורדינטות התלת ממדיות של הטוחנות המקסילריות הראשונות והחותכות המרכזיות וההבדלים ביניהן. בדיקות מקדם תוך-מעמדי (ICC) בוצעו כדי להעריך את המהימנות התוך-צופה עם הקואורדינטות של כל שיטה ולהשוות את מהימנותן בין ABR ו-SBR. המהימנות התוך-צופה הראתה ICC משמעותי וכמעט מושלם בכל שיטה. לא נמצאה משמעות בהבדל הממוצע בין הרישום הראשון והשני בכל ABR ו- SBR ובין שתי השיטות; עם זאת, הטווחים שלהם היו צרים יותר עם ABR מאשר עם שיטת SBR. מחקר זה מראה כי דיגיטציה ואינטגרציה מבוססות בינה מלאכותית הן אמינות וניתנות לשחזור.

Introduction

טכנולוגיה דיגיטלית תלת ממדית (3D) הרחיבה את היקף האבחון והתכנון לטיפול אורתודונטי או כירורגי-אורתודונטי. ניתן להשתמש בראש וירטואלי הבנוי מתמונת טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט פנים (CBCT) כדי להעריך הפרעות דנטופציאליות ושיניים, לתכנן ניתוחים אורתוגנטיים, לייצר ופלים דנטליים ולהשתיל מדריכים כירורגיים באמצעות תכנון וייצור בעזרת מחשב 1,2,3,4. עם זאת, סריקות CBCT יש ייצוג נמוך של שיניים, כולל מורפולוגיה שיניים ויחסים interocclusal, אשר בשל הרזולוציה המוגבלת שלהם ואת הפסים artifacts משיקום שיניים או סוגריים אורתודונטיים⁵. לכן, התכונות הדנטליות הוחלפו בתמונות CBCT בתמונות שיניים דיגיטליות (DDI), כגון גבס סרוק או תמונות סריקה אינטרה-אוראלית.

לצורך אינטגרציה אמינה של DDI על תמונות CBCT, מחקרים רבים דיווחו על שיטות שונות כגון שימוש בסמנים פידוקיאליים ^{6,7, 8 מבוסס} ווקסל ורישומים מבוססי פני שטח (SBR) ^9,10. נהלים אלה כוללים את השיטות שלהם לשימוש בסמנים חוץ-אוראליים, סריקות CBCT מרובות ושלבי תהליך נוספים כגון ניקוי חפצי מתכת בתמונות CBCT. לגבי דיוק SBR, מספר מחקרים קודמים דיווחו על שגיאות שנעו בין 0.10 ל-0.43 מ"מ ^9,11. בנוסף, Zou et al. העריכו אמינות תוך / בין משקיף וטעויות בין מהנדס דיגיטלי לאורתודנט באמצעות SBR ודיווחו על הצורך בניסיון קליני ולמידה חוזרת¹⁰.

בינה מלאכותית (AI) שימשה לחיזוי תוצאות טיפול¹² ולדיגיטציה של ציוני דרך בצילומי רנטגן צפלומטריים¹³ או CBCT^תמונות 14,15,16, וכמה תוכנות מסחריות זמינות כיום כדי לסייע בתהליך זה ¹⁷. זיהוי מדויק של ציוני דרך אנטומיים בתמונות תלת-ממדיות הוא מאתגר בגלל העמימות של משטחים שטוחים או מבנים מעוקלים, אזורים בעלי צפיפות נמוכה והשונות הרחבה של המבנים האנטומיים.

אוטומציה מבוססת בינה מלאכותית שנלמדה על ידי מכונה יכולה להיות מיושמת לא רק לדיגיטציה אלא גם לשילוב של DDI ו- CBCT דנטופציאלי. עם זאת, יש מעט מחקר על הדיוק של רישום מבוסס AI (ABR) בהשוואה לשיטה הקיימת מבוססת פני השטח. כדי להשיג תוצאות מדויקות יותר של שינויים תלת-ממדיים בשלד ובשיניים באמצעות ניתוח אורתוגנאתי דו-מקסילרי, יש צורך להעריך את הדיוק של תוכניות מבוססות AI בעת מיזוג CBCT ו- DDI. לכן, מאמר זה מציג פרוטוקול שלב אחר שלב לדיגיטציה ושילוב CBCT ו- DDI עם רישום מבוסס AI (ABR) ולהעריך את אמינותו ויכולת השחזור שלו בהשוואה לזו של SBR.

Protocol

מחקר רטרוספקטיבי זה נבדק ואושר על ידי מועצת הסקירה המוסדית של בית החולים בונדאנג של האוניברסיטה הלאומית בסיאול (B-2205-759-101) ועמד בעקרונות הצהרת הלסינקי. במחקר נעשה שימוש בקובצי Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) מ-CBCT ו-DDI בפורמט Standard Tessellation Language (STL) מגבס השיניים. הצורך בהסכמה מדעת בוטל בשל אופיו הרטרוספקטיבי של המחקר.

1. רכישת CBCT ותמונות דנטליות דיגיטליות (DDI)

1. בחר חולים על סמך קריטריוני ההכללה הבאים: חסימה מסוג III של השלד; ניתוח בימקסילרי באמצעות תכנון בעזרת מחשב; וטיפול אורתודונטי עם מכשירים קבועים.
2. אין לכלול מטופלים עם תסמונות גולגולתיות, שפה/חך שסועים, או טוחנות ראשונות מקסילריות חסרות או חותך מרכזי ימני.
3. קבל סריקות CBCT עם שדה ראייה של 200 מ"מ x 180 מ"מ, גודל ווקסל של 0.2 מ"מ, ותנאי חשיפה של 80 kVp, 15 mA ו- 10.8 שניות. ודא כי המטופלים נמצאים במצב זקוף עם שיניהם באינטראקציה מקסימלית. שמור את הסריקות כקבצי נתונים של הדמיה דיגיטלית ותקשורת ברפואה (DICOM).
4. רכוש DDIs מיציקות אבן דנטליות או סריקה אינטרה-אוראלית ישירה ושמור אותם בפורמט Standard Tessellation Language (STL) כשיניים מקסילריות ומנדיבולאריות נפרדות.

2. פרוטוקול רישום מבוסס AI (ABR)

1. ארגון מחדש ודיגיטציה של CBCT
   1. פתח את התוכנה ולחץ על הלחצן טען קובץ DICOM כדי לייבא קובצי CBCT DICOM לתוכנה.
   2. בחרו באחד מקובצי DICOM בתיקיית הנתונים DICOM ולחצו על הלחצן 'פתח'.
      הערה: כאשר קובצי DICOM נטענים, התוכנה משחזרת אותם באופן אוטומטי לנפח גולגולתי CBCT.
   3. לחצו על כפתור Reorientation בחלונית Landmark (איור 1).
   4. N (Nasion): לחץ על חריץ V של העצם הקדמית בתצוגה התלת-ממדית (איור 2). מיד לאחר הלחיצה, שימו לב שהנקודה הכחולה (מופעלת) הופכת לצלב אדום שיופיע גם במבט הצירי, הקשת והעטרה. לחץ על החצים המשולשים הכחולים קדימה ואחורה כדי לזהות את ציון הדרך.
      1. בתצוגת קשת, גלול את גלגל העכבר למעלה ולמטה כדי למצוא את הנקודה הקדמית ביותר שבה התפר הקדמי פוגש את עצמות האף והחזית ולחץ כדי לקבוע את המיקום האנכי והקדמי של ציון הדרך.
      2. בתצוגת העטרה, גלול את גלגל העכבר למעלה ולמטה כדי למצוא את הרגע רגע לפני שעצם האף נעלמת כדי להבטיח את הנקודה הקדמית ביותר ולחץ כדי לקבוע את המיקום האופקי של הנסיון.
      3. בתצוגה צירית, התאם את המיקום הקדמי כפי שהוא בנקודה הקדמית ביותר.
   5. R Or (Orbitale): לחצו על הנקודה הנחותה ביותר בשולי קו המתאר האורביטלי הימני במודל התלת-ממדי (איור 2).
      1. בתצוגת העטרה, גלול את גלגל העכבר למעלה ולמטה כדי למצוא את הנקודה הנמוכה ביותר בשוליים הנמוכים של המסלול הימני ולחצ.
      2. בתצוגת הסגיטל, לחץ על הנקודה העליונה ביותר של מבנה המקסילה הימני או העצם הזיגומטי המהווה את הגבול התחתון של המסלול.
      3. בתצוגה הצירית, גלול לאורך העכבר ולחץ כך שהצלב האדום ימוקם במקום שבו שפת מסלול העין נפגשת.
   6. L Or (Orbitale): לחץ על הנקודה הנחותה ביותר בשולי מתאר המסלול השמאלי במודל התלת-ממדי (איור 2) ושנה את הנקודה בשלוש התצוגות כמו בתהליך עבור R Or.
   7. R Po (פוריון): לחצו על הנקודה העליונה ביותר בקווי המתאר של הבשר השמיעתי החיצוני הימני במודל התלת-ממדי (איור 2).
      1. בתצוגת העטרה, לחץ על הנקודה הנמוכה ביותר של העצם הרקתית הימנית כדי לקבוע את המיקום האופקי והאנכי.
      2. בתצוגת sagittal, לחץ על הנקודה העליונה ביותר של קווי המתאר של meatus השמיעתי החיצוני הימני כדי להתאים את המיקום האנכי והקדמי-אחורי.
      3. בתצוגה הצירית, גלול בגלגל העכבר כדי ללחוץ במקום שבו מופיעה תעלת השמע החיצונית, שבה קו העצם הרקתית נעלם.
   8. L Po (פוריון): לחץ על הנקודה העליונה ביותר של קווי המתאר של המיטוס השמיעתי החיצוני השמאלי במודל התלת-ממדי (איור 2) ושנה את הנקודה בשלוש התצוגות הרב-מישוריות כמו בתהליך עבור R Po.
      הערה: חמשת ציוני הדרך הבסיסיים של השלד, כולל Nasion, אורביטלים ימניים ושמאליים, ונקבוביות ימין ושמאל במודל הגולגולתי המשוחזר (איור 2), מזוהים כעת.
   9. לחץ על כפתור בוצע כדי להשלים את הכיוון מחדש של מודל הגולגולת המשוחזר.
   10. לחץ על הלחצן Preliminary Landmark Picking בחלונית Landmark ובחר את קבוצת ציון הדרך Dentition I.
       הערה: קבוצות ציון דרך של בסיס גולגולתי, TMJ, שלד מקסילרי, שלד מנדיבולרי, דנטיציה I ורקמות רכות כבר נבחרו לניתוח קרניופציאלי.
   11. לחץ על כפתור Execute בחלונית Preliminary Landmark Picking ותן לתוכנה לבחור באופן אוטומטי ציוני דרך ראשוניים ולקבוע את הקואורדינטות שלהם.
   12. בעת שינוי ציוני הדרך, לחץ על כפתור בחירת ציון דרך ידני בכרטיסייה עוצמת קול , בצע את ההתאמות הדרושות ולחץ על כפתור סיום כדי לאשר (איור 3).

3. הליך מיזוג DDI

1. לחצו על כפתור Registration of Dentition Scan בחלונית Tools (איור 4).
2. בחר maxilla dentition ולחץ על טען כפתור בחלונית Dentition Registration.
3. בחר את קבצי STL של אותו מטופל עם מודל CBCT בתיקיה כדי לטעון קבצי STL שיניים maxilla. לאחר שקבצי STL פתוחים, חפש DDI בצד ימין של המסך וארבע תצוגות (תלת-ממד, צירית, קשת ועטרה) של CBCT בצד שמאל של המסך.
4. בחר את ציוני הדרך של הרישום ב- DDI הטעון: ה- mesiobuccal cusps של הטוחנת הראשונה המקסילרית הימנית (R U6CP), נקודת האמצע של החותכת המרכזית המקסילרית הימנית בקצה החתך (R U1CP), וה- mesiobuccal cusp של הטוחנת הראשונה המקסילרית השמאלית (L U6CP) (איור 5) על-ידי החלפת החצים המשולשים הכחולים קדימה ואחורה.
   הערה: לחץ באמצעות לחצן העכבר השמאלי וגרור את העכבר כדי לסובב את ה- DDI ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני וגרור כדי להגדיל ולהקטין את התצוגה. ציוני הדרך של הרישום מכוילים בו זמנית על ידי אוטומציה שנלמדה על ידי מכונה לאחר שעברו דיגיטציה ידנית.
5. לחץ על כפתור Done בחלונית Dentition Registration.
6. לחץ על כפתור כן כדי לאשר את הרישום האוטומטי (איור 6).
7. למיזוג שיניים מנדיבולאריות, בחר שיניים לסתות ולחץ על כפתור טען בחלונית רישום נטישה. חזור על שלבים 3.2 עד 3.6. בחר את ציוני הדרך הרשומים על השיניים המנדיבולאריות: הקצה המסיובוקי של הטוחנת הראשונה התחתונה הימנית/שמאלית (R-/L- L6CP), נקודת האמצע החותכת הראשונה התחתונה הימנית בקצה החתך (R L1CP).
8. ה-DDI מוזג כעת עם מודל CBCT המשוחזר (איור 7).
   1. בעת שינוי המיזוג, לחץ על כפתור בחירת ציון דרך ברישום בחלונית רישום דנטיישן (איור 8).

4. קבלת ערכי הקואורדינטות התלת-ממדיות (x, y ו-z) של כל ציון דרך

1. לחץ על כפתור בחירת ציון דרך ידנית בכרטיסייה עוצמת קול או לחץ על הכרטיסייה ניתוח כדי לקבל את ערכי הקואורדינטות התלת-ממדיות של ציוני הדרך. לייצוא נתונים, עבור אל כרטיסיית ניתוח → חלונית ייצוא נתונים, ולחץ על כפתור ציון דרך כדי לשמור את הנתונים כקובץ.
   הערה: מישור X (אופקי) הוא המישור העובר דרך הנסיון, במקביל למישור האופקי של פרנקפורט (FH) העובר דרך האורביטלס השמאלי והימני ופוריון הימני. מישור Y (midsagittal) ניצב למישור X, עובר דרך הנאסיון והבזיון. מישור Z (העטרה) מציב את המישור בניצב למישור האופקי ולמישור האמצעי-סגיטלי דרך הנאסיון (נקודת אפס; 0, 0 ו-0) (איור 9).

תוצאות

כאן תיארנו את תהליך האינטגרציה של CBCT ו- DDI באמצעות תוכנה מבוססת AI. כדי להעריך את אמינותו ואת יכולת השחזור, נערך מחקר השוואתי עם רישום מבוסס פני השטח (SBR). נקבע כי גודל מדגם מינימלי של עשרה נדרש לאחר ניתוח הספק תחת מתאם ρ H1 = 0.77, α = 0.05, והספק (1-β) = 0.80¹⁸. בסך הכל נחקרו 17 סטים של סריקות CBCT ?...

Discussion

באמצעות הפרוטוקול המוצג, דיגיטציה של ציוני דרך ושילוב CBCT ו- DDI ניתן לבצע בקלות באמצעות תוכנה שנלמדה על ידי מכונה. פרוטוקול זה דורש את השלבים הקריטיים הבאים: i) כיוון מחדש של הראש בסריקת CBCT, ii) דיגיטציה של CBCT ו- DDI, ו- iii) מיזוג תמונות CBCT עם DDI. דיגיטציה של חמישה ציוני דרך עבור כיוון מחדש של הראש היא...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
G*Power	Heinrich Heine Universität, Dϋsseldorf, Germany	v. 3.1.9.7	A sample size calculuation software
Geomagic Qualify®	3D Systems, Morrisville, NC, USA	v 2013	3D metrology feature and automation software, which transform scan and probe data into 3D to be used in design, manufacturing and metrology applications
KODAK 9500	Carestream Health Inc., Rochester, NY, USA	5159538	Cone Beam Computed Tomograph (CBCT)
MD-ID0300	Medit Co, Seoul, South Korea Seoul, Korea	61010-1	Desktop model scanner
ON3D	3D ONS Inc., Seoul, Korea	v 1.3.0	Software for 3D CBCT evaluation; AI-based landmark identification, craniofacial and TMJ analysis, superimposition, and virtual orthognathic surgery
SPSS	IBM, Armonk, NY, USA	v 22.0	A statistic analysis program