Preparação de Modelo Híbrido Digital para Planejamento Virtual de Procedimentos Cirúrgicos Dentoalveolares Reconstrutivos

Resumo

Um fluxo de trabalho para a criação de modelos híbridos virtuais tridimensionais (3D) foi projetado com base no conjunto de dados de tomografia computadorizada de feixe cônico e varreduras ópticas intraorais utilizando métodos de segmentação de imagens radiográficas e modelagem de superfície de forma livre. Modelos digitais são utilizados para o planejamento virtual de procedimentos cirúrgicos dentoalveolares reconstrutivos.

Resumo

A aquisição de modelos tridimensionais (3D) virtuais e híbridos é apresentada neste artigo, utilizando a sequência de segmentação de imagens radiográficas, registro espacial e modelagem de superfície de forma livre. Primeiramente, os conjuntos de dados de tomografia computadorizada de feixe cônico foram reconstruídos com um método de segmentação semiautomático. O osso alveolar e os dentes são separados em diferentes segmentos, permitindo avaliar a morfologia 3D e a localização dos defeitos intraósseos periodontais. A gravidade, extensão e morfologia dos defeitos agudos e crônicos do rebordo alveolar são validados em dentes adjacentes. Em modelos de tecidos complexos virtuais, as posições dos implantes dentários podem ser planejadas em 3D. Utilizando o registro espacial de dados de IOS e CBCT e subsequente modelagem de superfície de forma livre, modelos híbridos 3D realistas podem ser adquiridos, visualizando osso alveolar, dentes e tecidos moles. Com a sobreposição de IOS e TCFC de tecidos moles, a espessura acima da crista edêntula pode ser avaliada quanto às dimensões ósseas subjacentes; portanto, o desenho do retalho e o manejo cirúrgico do retalho podem ser determinados, e complicações ocasionais podem ser evitadas.

Introdução

Os avanços tecnológicos na odontologia têm possibilitado o planejamento e a simulação de procedimentos cirúrgicos e de reabilitação protética auxiliados por computador. Dois métodos essenciais para a aquisição de dados 3D em odontologia digital são: (1) tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC)¹ e (2) varredura óptica intraoral (IOS)². Informações digitais de todas as estruturas anatômicas relevantes (osso alveolar, dentes, tecidos moles) podem ser adquiridas usando essas ferramentas para planejar procedimentos cirúrgicos dentoalveolares reconstrutivos.

A tecnologia de feixe cônico foi introduzida pela primeira vez em 1996 por um grupo de pesquisa italiano. Oferecendo dose de radiação significativamente menor e maior resolução (em comparação com a tomografia computadorizada convencional), a TCFC tornou-se rapidamente a modalidade de imagem 3D mais frequentemente usada em odontologia e cirurgia^oral3. A TCFC é frequentemente usada para planejar diferentes procedimentos cirúrgicos (por exemplo, cirurgia regenerativa periodontal, aumento do rebordo alveolar, colocação de implantes dentários, cirurgia ortognática)¹. Os conjuntos de dados da TCFC são visualizados e podem ser processados em softwares de imagem radiográfica que fornecem imagens 2D e renderizações 3D - no entanto, a maioria dos softwares de imagem usa algoritmos baseados em limiares para reconstrução de imagens 3D. Os métodos de limiar definem os limites superior e inferior de um intervalo de valores cinza voxel. Os voxels que estiverem entre esses limites serão renderizados em 3D. Este método permite a aquisição rápida do modelo; no entanto, como o algoritmo não consegue diferenciar estruturas anatômicas de artefatos metálicos e espalhamento, as renderizações 3D são altamente imprecisas e têm muito pouco valor diagnóstico ^4,5. Pelas razões citadas acima, muitas áreas da odontologia ainda dependem das radiografias 2D convencionais (radiografias intrabucais, radiografias panorâmicas) ou das imagens 2D de conjuntos de dados de TCFC5. Nosso grupo de pesquisa apresentou um método semiautomático de segmentação de imagens em um artigo recentemente publicado, utilizando um software de processamento de imagens radiográficas de código aberto⁶, no qual é realizada a reconstrução 3D anatomicamente baseada de conjuntos de dados de TCFC⁷. Com o auxílio desse método, as estruturas anatômicas foram diferenciadas dos artefatos metálicos e, mais importante, o osso alveolar e os dentes puderam ser separados. Portanto, um modelo virtual realístico de tecidos duros poderia ser adquirido. Modelos 3D foram utilizados para avaliar defeitos periodontais intraósseos e para o planejamento do tratamento antes de cirurgias periodontais regenerativas.

Os scanners ópticos intrabucais de superfície fornecem informações digitais sobre as condições clínicas (coroa clínica dos dentes e tecidos moles). O objetivo original desses dispositivos era adquirir diretamente modelos digitais de pacientes para o planejamento e fabricação de próteses dentárias com tecnologias de desenho auxiliado por computador (CAD) e fabricação auxiliada por computador (CAM)⁸. No entanto, devido à ampla gama de aplicações, seu uso foi rapidamente implementado em outras áreas da odontologia. Os cirurgiões bucomaxilofaciais combinam IOS e CBCT em um arranjo híbrido que pode ser utilizado para osteotomia virtual e planejamento digital de cirurgias ortognáticas9,10. A implantodontia é provavelmente a área que mais utiliza o planejamento digital e a execução guiada. A cirurgia navegada elimina a maioria das complicações relacionadas ao mau posicionamento do implante. A combinação de conjuntos de dados de TCFC e arquivos de estereolitografia (.stl) do IOS é rotineiramente usada para planejar a colocação guiada de implantes e a fabricação de guias estáticos de perfuração de implantes^11,12. Exames intraorais sobrepostos a conjuntos de dados de TCFC também têm sido usados para preparar o alongamento estético da coroa¹³; no entanto, os tecidos moles foram sobrepostos apenas sobre conjuntos de dados de TCFC reconstruídos com algoritmos de limiarização. No entanto, para realizar um planejamento virtual 3D preciso de intervenções cirúrgicas regenerativas-reconstrutivas e colocação de implantes dentários, modelos híbridos 3D realistas de pacientes devem ser compostos por dados de TCFC e IOS.

Assim, este artigo tem como objetivo apresentar um método passo-a-passo para aquisição de modelos digitais híbridos realísticos para o planejamento cirúrgico virtual antes de intervenções cirúrgicas dentoalveolares reconstrutivas.

Protocolo

Este estudo foi conduzido em total conformidade com a Declaração de Helsinque. Antes da preparação do manuscrito, o paciente assinou o termo de consentimento livre e esclarecido. O paciente concedeu permissão para uso dos dados para demonstração do protocolo.

1. Processamento de imagens radiográficas

1. Carregar arquivos DICOM no software
   1. Baixe a versão mais recente do software de imagens médicas e abra-o.
      NOTA: Depois de abrir o software, a tela inicial aparecerá.
   2. Clique em Carregar dados DICOM na barra lateral.
      Observação : O banco de dados DICOM irá aparecer, mostrando os conjuntos de dados DICOM carregados anteriormente.
      1. Clique em Importar arquivos DICOM no banco de dados DICOM, selecione o conjunto de dados DICOM na pasta de destino e clique em Importar.
         NOTA: O conjunto de dados DICOM recém-adicionado aparecerá na lista de estudos.
   3. Selecione o estudo e clique em Carregar na parte inferior da janela.
      NOTA: O conjunto de dados DICOM será aberto e quatro visualizações (coronal, axial, sagital e 3D) dos dados carregados serão visíveis. Os nós são listados no lado esquerdo. Teoricamente, o método descrito pode ser realizado em qualquer TC ou TCFC, independentemente da qualidade da imagem (tamanho do voxels, artefatos). No entanto, o processo de segmentação de exames de TCFC/TC de maior qualidade é mais simples, e modelos 3D de maior qualidade podem ser adquiridos. Uma TCFC mostrada foi realizada com os seguintes parâmetros: tamanho do voxel: 150 μm, tensão do anodo: 84 kV, corrente do tubo: 40 mA, campo de visão: 8 x 5 cm. O processo pode ser interrompido em qualquer etapa; Certifique-se de salvar a cena antes de sair. Para salvar, clique no ícone de salvar no lado esquerdo da barra de ferramentas e salve-o como um "pacote de prontuário médico" (.mrb) clicando no ícone de caixa na janela "salvar cena".
2. Volume de renderização e recorte de volume
   1. Recorte a área de interesse (mandíbula superior ou inferior) para reduzir o tamanho do arquivo e o tempo de renderização. Clique na barra Módulos visível no lado esquerdo da barra de ferramentas para exibir uma janela de rolagem para baixo mostrando os módulos usados com frequência.
   2. Selecione o módulo Renderização de Volume na janela suspensa. Para tornar a renderização de volume visível, clique no ícone de olho ao lado da barra "Volumes".
   3. Selecione a predefinição desejada para visualizar a renderização de volume e mova o controle deslizante "Shift" até que os tecidos rígidos possam ser vistos claramente.
      NOTA: Para exames de TCFC, a predefinição CT-Bone é recomendada.
   4. Marque a caixa ao lado de "Habilitar" e clique no ícone de olho ao lado de "Exibir ROI" na seção "Recortar" para tornar o ROI (Região de interesse) visível.
      Observação : uma caixa de wireframe ao redor do conjunto de dados em todas as exibições 2D e a visualização 3D aparecerá. Ao arrastar as laterais da caixa, o volume será cortado para a área desejada.
   5. Acesse o módulo "Volume de Corte" para finalizar o cultivo. Selecione o conjunto de dados original como o volume de entrada.
      NOTA: O ROI de entrada é definido automaticamente como ROI criado anteriormente.
   6. Selecione Criar novo volume na barra suspensa "Volume de saída" para criar um novo volume de saída. Desmarque Recorte interpolado na seção Configurações avançadas e clique em Aplicar.
      Observação : ao retornar para o "módulo de dados", o novo volume cortado aparecerá como um novo nó.
3. Segmentação do conjunto de dados CBCT
   1. Acesse o módulo Editor de Segmentos para segmentação.
      NOTA: Segmentação é quando reconstruções 3D de estruturas anatômicas são geradas com base no conjunto de dados da TCFC para permitir análises mais acessíveis.
   2. Selecione o volume cortado criado anteriormente como o Volume Mestre da segmentação ativa. Clique em +Adicionar para adicionar e -Remover para remover segmentos. Renomeie-os de acordo com a estrutura anatômica que irão representar.
      OBS: O osso alveolar e todos os dentes serão segmentos separados dentro da segmentação
   3. Comece com a segmentação do osso alveolar. Na lista de efeitos, selecione Rastreamento de nível, uma ferramenta semiautomática que descreve a região onde os pixels têm o mesmo valor de plano de fundo que o pixel selecionado.
   4. Arraste o mouse para o perímetro do osso em uma das exibições 2D para que uma linha amarela apareça ao redor da área selecionada e pressione o botão esquerdo do mouse para gerar o segmento na fatia selecionada do conjunto de dados.
      NOTA: A segmentação pode ser feita em qualquer uma das visualizações 2D; no entanto, as orientações sagitais e axiais funcionam melhor.
   5. Use as ferramentas manuais Paint and Erase para modificar o segmento e corrigir erros se a ferramenta "Level Tracing" não delinear toda a seção do osso ou se artefatos presentes na fatia também foram incluídos.

Figura 1: Aplicação da ferramenta de segmentação semiautomática "Level Tracing" na orientação sagital. (A) Delineando a região dos pixels com o mesmo valor de plano de fundo com uma linha amarela. (B) Resultados do "Level Tracing" e posterior segmentação manual. (C) Refinamento da segmentação semiautomática com o auxílio de ferramentas manuais (pintar, apagar). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

NOTA: Usando teclas numéricas para permitir a troca rápida entre ferramentas.

6. Excluir dentes e implantes do segmento ósseo. Contorne dentes e implantes usando a ferramenta Apagar e exclua todos os pixels destacados que os representam.
7. Repita o mesmo processo em cada^5ª fatia do conjunto de dados na orientação selecionada.
   Observação : clique em Mostrar 3D para exibir a segmentação em três dimensões. Defina o controle deslizante do fator de suavização como 0,00.
8. Calcule os segmentos ausentes após a conclusão desta seleção de fase Preencher entre fatias na lista de efeitos.
   Observação : esta ferramenta calcula os segmentos ausentes com base naqueles criados anteriormente usando um algoritmo de interpolação de contorno morfológico.
9. Clique em Inicializar para ativar a interpolação de contorno e, se os resultados forem satisfatórios, clique em Aplicar. Percorra o conjunto de dados após a conclusão para verificar e corrigir erros ocasionais.

Figura 2: Interpolação morfológica do contorno com "Fill Between Slices", áreas verde-claras indicando a parte automaticamente reconstruída do segmento. (A) Vista axial. (B) Vista sagital. (C) Visão coronal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Observação : certifique-se de que somente o segmento é visível no qual a interpolação é aplicada. A visibilidade dos segmentos pode ser alternada na lista de segmentos.

10. Torne os limites de segmento mais suaves removendo saliências usando o efeito Suavização . Selecione Mediana como método de suavização e defina o "Tamanho do kernel" para 5 x 5 x 5 pixels ajustando o valor de mm no colchete e clicando em Aplicar.
11. Repetir os mesmos passos para a segmentação dos dentes uma vez concluída a segmentação do osso alveolar.

Figura 3: Segmentação finalizada, o segmento marrom representando osso e o segmento azul representando dentes. (A) Vista axial. (B) Vista sagital. (C) Visão coronal. (D) O modelo 3D é gerado automaticamente a partir dos segmentos criados anteriormente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

12. Defina a barra "Modificar outros segmentos" para Permitir sobreposição antes da segmentação do dente para que os segmentos recém-criados não substituam os criados anteriormente.

4. Registro espacial do conjunto de dados CBCT e IOS
   NOTA: O registro espacial é necessário porque os sistemas de coordenadas para o conjunto de dados CBCT e o IOS são diferentes.
   1. Selecione Extension Manager na barra de menus "Exibir" e clique em Instalar extensões. Digite IGT na barra de pesquisa no canto direito, instale a extensão SlicerIGT e reinicie o programa.
   2. Carregue o arquivo .mrb salvo anteriormente da cena clicando no ícone Dados e escolha o(s) arquivo(s) a ser adicionado.
   3. Importe o arquivo .stl do IOS clicando no ícone Dados no canto superior esquerdo. Na janela pop-up "Adicionar dados à cena", clique em Escolher arquivo(s) para adicionar, vá para a pasta de destino, selecione o arquivo .stl do IOS e clique em Abrir.
   4. Adicione o arquivo .stl da varredura intraoral como segmentação selecionando Segmentação na barra suspensa.
      NOTA: O módulo "IGT" instalado agora aparecerá no menu suspenso "Módulos".
   5. Mova o cursor sobre o módulo e, na barra lateral exibida, selecione Assistente de Registro Fiducial.
   6. Selecione Criar novas marcações fiduciárias na barra suspensa nas seções "De fiduciários" e "Para fiduciários".
      NOTA: O software nomeará automaticamente as duas listas "De" e "Para". A lista "De" representa o volume móvel, que neste caso será o IOS. A lista "Para" representa o volume fixo, que será o conjunto de dados CBCT.
   7. Coloque pontos de marcação em pontos anatômicos bem definidos no IOS usando o ícone "Colocar um ponto de marcação" ao lado da barra suspensa na seção "De". Os pontos de marcação serão numerados por ordem de colocação.
      OBS: Coloque pelo menos 6 pontos nas cúspides e bordas incisais dos dentes.
   8. Coloque os marcadores na mesma posição para criar a lista "Para" e na mesma ordem no conjunto de dados CBCT. Os pontos de marcação com o mesmo número devem representar o mesmo ponto de referência anatômico.
   9. Crie uma transformação selecionando Criar novo LinearTransform no menu suspenso na seção "Transformação de resultado de registro" da barra lateral depois que as duas listas estiverem prontas.
   10. Acesse o módulo "Transformações" e selecione a transformação criada anteriormente como a transformação Ativa. Na seção "Aplicar transformação", mova a segmentação do IOS e a lista de marcações "De" da caixa "Transformável" para a caixa "Transformada" para sobrepor o IOS sobre o conjunto de dados CBCT.

Figura 4: Registro espacial do IOS por meio da colocação de marcadores fiduciais em pontos anatômicos bem definidos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Observação : se necessário, a precisão da transformação pode ser melhorada movendo os pontos de marcação ou adicionando pontos adicionais.

2. Exporte modelos como arquivos .stl para modelagem de superfície de forma livre

1. Exporte os modelos de tecidos duros e moles combinados para modelagem de superfície adicional após segmentação e registro espacial.
2. Vá para o módulo Segmentações e selecione a segmentação com os modelos de osso alveolar e dentes como segmentação ativa. Role para baixo até a seção "Exportar para arquivos", escolha a pasta de destino e selecione STL como o formato de arquivo.
3. Desmarque a caixa Mesclar em arquivo único , defina o sistema de coordenadas como RAS e clique em Exportar.
4. Repita o mesmo processo para o IOS, visível como uma segmentação separada, salve a cena e feche o software de geração de imagens.

3. Modelagem de superfície de forma livre

1. Suavização de superfície
   1. Abra o software CAD e, na tela inicial, clique em Importar. Selecione os modelos .stl que foram exportados anteriormente do software de processamento de imagens DICOM.
      NOTA: Mesmo que o alisamento tenha sido realizado anteriormente, a superfície dos modelos reconstruídos a partir do conjunto de dados CBCT ainda aparecerá pixelada, portanto, é necessário um maior alisamento da superfície.
   2. Vá para Esculpir na barra de menus e, no inventário de pincéis, selecione Redução adaptável.
      NOTA: O tamanho e a resistência do pincel devem ser ajustados, dependendo da quantidade de alisamento.
2. Separe a coroa dos dentes do IOS
   NOTA: As coroas dentárias são representadas com mais precisão no IOS do que nos modelos segmentados; portanto, as coroas dos modelos de dentes segmentados devem ser substituídas por coroas do IOS.
   1. Clique em Selecionar na barra lateral e selecione Pincel como a ferramenta de seleção. Use o modo Desembrulhar pincel e ajuste o tamanho do pincel. Usando a escova, selecione a coroa de cada dente até a gengiva marginal no IOS.
      NOTA: As superfícies selecionadas são indicadas com uma cor laranja.
   2. Mova o cursor para Modificar na barra lateral e selecione Limite suave. Clique em Aplicar se os resultados forem satisfatórios.
      OBS: Agora, o limite da seleção segue justamente a gengiva marginal.
   3. Vá para Editar na barra lateral Selecionar e clique em Separar para criar um objeto individual a partir da área selecionada.
   4. Repita o mesmo processo para todos os dentes.
   5. Vá para Análise na barra de menus e selecione Inspecionar.
      NOTA: O programa indicará erros nos modelos. Os buracos são marcados com uma cor azul.
   6. Selecione Preenchimento plano como o "Modo de preenchimento de furo" e clique em Reparar tudo automaticamente para criar modelos fechados a partir do modelo IOS e dos modelos de dentes separados. Vá para Esculpir e alisar as bordas do orifício preenchido usando o pincel Shrinksmooth .
   7. Repita o processo para todas as coroas dentárias e o resto do IOS.
3. Mesclar coroas dos dentes com os modelos de dentes segmentados.
   OBS: Se o registro espacial foi feito corretamente, as posições das coroas de dentes no IOS e as coroas de dentes segmentados devem coincidir.
   1. Use a escova Shrinksmooth no modelo de dente segmentado até que eles estejam completamente cobertos pelas coroas dentárias separadas do IOS.
      NOTA: Devido a imperfeições tanto na segmentação quanto no IOS, as coroas nem sempre se sobrepõem completamente.
   2. Selecione a coroa separada e o modelo segmentado do mesmo dente no Pesquisador de Objetos. Na barra lateral exibida, selecione União booleana e clique em Aceitar.
      OBS: Agora, a coroa do modelo de dente segmentado é substituída pela coroa separada do IOS.
   3. Use Shrinksmooth para suavizar a transição.
4. Subtrações e composição do modelo
   1. Subtrair o modelo ósseo do modelo de tecidos moles para representar a situação clínica de forma realista.
      OBS: O IOS original sem dentes tornou-se o modelo dos tecidos moles.
   2. Selecione os modelos de ossos e tecidos moles no Pesquisador de objetos e selecione Diferença booleana.
   3. Transições suaves com a escova Shrinksmooth e remova saliências do lado inferior do modelo de tecido mole.
   4. Subtrair dentes do modelo de tecidos moles usando o mesmo processo e transições suaves.
5. Modelos de cores
   1. Colorir as superfícies dos modelos para dar uma aparência mais realista, já que o modelo está completo agora com os dentes, tecidos moles e osso alveolar sendo separados um do outro, representando a situação clínica em 3D.
   2. Selecione Esculpir na barra lateral e alterne o pequeno controle deslizante de Volume para Surface.
   3. Selecione PaintVertex no inventário de pincéis e selecione a cor desejada usando a roda de cores na seção Cor da barra lateral. Colorir a superfície de cada modelo (por exemplo, osso: marrom, tecido mole: rosa, dentes: branco)

Figura animada 1: Animação do modelo final, colorido, pronto para planejamento cirúrgico virtual. Clique aqui para baixar esta Figura.

Resultados

Modelos virtuais tridimensionais (3D) podem ser gerados usando segmentação de imagens radiográficas, registro espacial e modelagem de forma livre. Os modelos retratam digitalmente a situação clínica, possibilitando o planejamento tridimensional de diversas intervenções cirúrgicas. Com segmentação separada de osso e dentes, o limite entre as duas estruturas anatômicas é visível, a morfologia 3D e a localização dos defeitos intraósseos periodontais devem ser avaliadas. A gravidade, extensão e morfologia d...

Discussão

Com o protocolo apresentado, as morfologias dos defeitos periodontais e alveolares podem ser visualizadas em três dimensões (3D), proporcionando uma representação mais precisa da situação clínica do que pode ser obtida por métodos diagnósticos 2D e modelos 3D gerados com algoritmos de limiarização. O protocolo pode ser dividido em três grandes fases: (1) segmentação semiautomática de conjuntos de dados de TCFC, (2) registro espacial de TCFC e IOS e (3) modelagem de superfície de forma livre. Tecnicamente,...

Materiais

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.