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Este estudo apresenta um procedimento semi-automatizado de análise de imagens digitais para a quantificação planimétrica da placa dental revelada a partir de imagens adquiridas com uma câmera de fluorescência intraoral. O método permite a quantificação rápida e confiável da placa bacteriana no ambiente de pesquisa.
O acúmulo de placa dental é quantificado por meio de índices clínicos ou, de outra forma, do índice planimétrico de placa (IBP), que mede a área relativa de um dente que é coberto por depósitos de placa. Comparado aos índices clínicos, o IBP tem maior poder discriminatório, mas a planimetria tradicional é uma análise demorada, pois as áreas dentárias limpas e cobertas por placa têm que ser determinadas manualmente para cada imagem usando um software de processamento de imagem. Apresentamos aqui um método para a quantificação planimétrica semi-automatizada da placa dentária, que permite o processamento rápido de até 1.000 imagens simultaneamente. O método explora o contraste acentuado entre placa revelada, superfícies dentárias sãs e tecidos moles em imagens de fluorescência adquiridas com uma câmera intraoral. A execução cuidadosa dos procedimentos clínicos e a aquisição precisa das imagens são etapas cruciais para o sucesso da identificação semi-automatizada das áreas cobertas pela placa. O método é adequado para planimetria em superfícies dentárias faciais e bucais sólidas, na maioria das restaurações de resina composta e em dentes com braquetes ortodônticos, mas não em restaurações metálicas. Em comparação com os registros tradicionais do IBP, a planimetria semi-automatizada reduz consideravelmente o tempo gasto na análise, bem como a entrada humana subjetiva, aumentando a reprodutibilidade das medidas planimétricas.
A quantificação da placa dentária no ambiente de pesquisa é realizada por meio de índices clínicos ou, então, pelo registro do índice planimétrico de placa (IBP)1. Índices clínicos, como o índice de placas de Quigley-Hein modificado por Turesky, baseiam-se na avaliação visual da cobertura da placa por um operador e na subsequente atribuição de um escore em uma escala ordinal2. Embora a pontuação seja rápida, o uso de índices clínicos requer laboriosa calibração interexaminador e intraexaminador, e a classificação sempre sofre certo grau de subjetividade 3,4,5. Além disso, como o número de escores é limitado, os índices clínicos podem falhar em detectar diferenças relevantes na cobertura de placa6.
Para registros planimétricos, a extensão da cobertura da placa é determinada em imagens digitais dividindo-se a área coberta pela área total da superfície dentária7. O uso de uma escala contínua aumenta a acurácia e apresenta alto poder discriminatório na análise estatística 8,9,10. Além disso, pode-se argumentar que a planimetria é menos subjetiva, pois o índice é calculado e não estimado pelo examinador11. Tradicionalmente, as áreas dentárias totais e cobertas por placa são determinadas manualmente para o registro dos IBP, desenhando-se as regiões de interesse em cada imagem por meio de um software de processamento de imagens 7,12. Consequentemente, a análise planimétrica era anteriormente muito demorada, o que reduziu sua aplicabilidade para estudos clínicosmaiores6.
Nas imagens tradicionais de luz branca, o contraste entre as áreas cobertas por placa, as áreas de dentes limpos e os tecidos circundantes é tênue e, portanto, o processamento automatizado de imagens, que normalmente depende da detecção de objetos baseada na intensidade, é severamente prejudicado13,14. Imagens adquiridas com câmera de fluorescência mostram contraste significativamente acentuado entre placa bacteriana revelada, dentes limpos que se autofluorescem fortemente no espectro verde e tecidos moles não fluorescentes1.
Aqui, apresentamos um método de planimetria semi-automatizada que reduz consideravelmente o tempo gasto na análise de imagens em comparação com os registros tradicionais de PPI. O método emprega procedimentos de divulgação padrão, uma câmera de fluorescência disponível comercialmente e um freeware de análise de imagem. Os parâmetros importantes para aquisição e análise das imagens, bem como os erros e limitações típicas do método, são discutidos.
O estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética da Região Midtjylland (1-10-72-259-21) e realizado de acordo com a Declaração de Helsinque e suas emendas.
1. Fabricação de um espaçador sob medida (opcional)
NOTA: Um espaçador impresso em 3D personalizado pode ser usado durante a aquisição de imagens para padronizar o posicionamento da cabeça da câmera. O espaçador não é obrigatório para o registro das imagens de fluorescência.
2. Divulgação de placas e aquisição de imagens
3. Análise de imagens digitais
OBS: A análise digital da imagem pode ser realizada a qualquer momento após a aquisição da imagem. Lotes de até 1.000 imagens de fluorescência podem ser processados em paralelo. Se a análise de grandes lotes de imagens exceder o poder de computação, o tamanho da imagem pode ser reduzido antes da análise.
O método apresentado permite a quantificação planimétrica rápida e semi-automatizada das áreas cobertas por placa nos dentes (Figura 1). Os depósitos de placa são visualizados pela eritrosina, enquanto as áreas dentárias limpas, bem como a película adquirida, não são coradas16 (Figura 2A). Quando as imagens são adquiridas com uma câmera de fluorescência, o contraste entre as áreas de dentes limpos, áreas cobertas por placa e tecidos moles circundantes aumenta consideravelmente (Figura 2B,C). A câmera de fluorescência opera com duas janelas de detecção, uma no espectro verde e outra no vermelho. Em comparação com as áreas de dentes limpos, as áreas cobertas por placa aparecem ligeiramente mais brilhantes no canal vermelho (Figura 2D,E). No canal verde, a autofluorescência do dente é mascarada consideravelmente nas áreas cobertas por placa (Figura 2F). Esse efeito de mascaramento é explorado durante a análise das imagens, quando as imagens do canal verde são subtraídas das imagens do canal vermelho (Figura 2G). O forte contraste entre as áreas limpas e cobertas por placa nas imagens resultantes (Figura 2H) permite uma determinação semi-automatizada do IBP baseada em limiar de intensidade. Até 1.000 imagens de fluorescência podem ser processadas simultaneamente.
Um espaçador impresso em 3D feito sob medida pode ser usado para melhorar o posicionamento padronizado da cabeça da câmera a uma distância idêntica do dente de interesse. O espaçador também protege o dente da luz ambiente e, assim, aumenta o contraste entre a placa revelada, as áreas limpas do dente e os tecidos moles circundantes nas imagens adquiridas. O espaçador é montado na cabeça da câmera com a ajuda de três elementos de retenção (Figura 3).
O método descrito pode ser utilizado para registros planimétricos da placa supragengival e cálculo nas faces facial e bucal (Figura 4A-D). Dependendo da curvatura da arcada dentária, pode ser difícil posicionar o espaçador em contato próximo com a gengiva e, assim, manter a mesma distância entre a cabeça da câmera e o dente. Como a cobertura da área da placa é determinada em relação à área total do dente, é improvável que tais diferenças afetem os registros dos IBP. Diferentes materiais dentilaterais fluorescem no espectro verde com intensidades variáveis17,18,19. Assim, o IBP geralmente pode ser determinado com o algoritmo padrão de análise de imagens em dentes com cimentos de ionômero de vidro e restaurações de resina composta (Figura 4E-H). Em contraste, restaurações de amálgama e gesso geralmente emitem fraca tanto no canal vermelho quanto no verde, não sendo possível determinar a cobertura da placa nessas superfícies (Figura 4I,J). O mesmo vale para braquetes ortodônticos metálicos, mas como a superfície do braquete é tipicamente excluída dos registros dos IBP, a planimetria semi-automatizada é adequada para pacientes ortodônticos (Figura 4K,L).
O sucesso da identificação semi-automatizada de áreas cobertas por placa em imagens de fluorescência é altamente dependente da execução cuidadosa de todas as etapas do procedimento clínico. Se muita luz ambiente entra nas imagens, o brilho do fundo no canal vermelho é aumentado, o que dificulta a diferenciação entre os dentes e os tecidos moles (Figura 5A,B). Portanto, as luzes da sala precisam ser apagadas durante a captura da imagem. Se o paciente não abrir a boca o suficiente durante a aquisição das imagens, dentes antagonistas podem ser fotografados juntamente com o dente de interesse e dificultar o processamento semi-automatizado (Figura 5C). Quando a planimetria é realizada em pré-molares ou molares, a angulação correta da câmera é importante para evitar a obtenção de imagens de partes da superfície oclusal (Figura 5D,E). Uma vez divulgados os depósitos da placa, o operador deve proceder imediatamente à aquisição da imagem. Caso contrário, a eritrosina pode ser lavada, e o contraste entre as áreas dentárias limpas e cobertas de placa pode se tornar muito tênue. Em alguns casos, no entanto, a solução reveladora pode manchar fortemente a gengiva, e a mancha pode não ser removida durante o enxágue seguinte (Figura 5F). Para evitar uma superestimação da área coberta pela placa, a mancha pode ser reduzida por um enxágue adicional ou pela limpeza suave da gengiva com um pellet de algodão.
Figura 1: Fluxo de trabalho para quantificação semi-automatizada da cobertura de placa bacteriana nas superfícies dentárias. Abreviação: PPI = índice de placa planimétrica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Procedimento de análise digital de imagens. (A) Imagem com luz branca da placa revelada (dente 26, aspecto facial). (B) Imagem correspondente adquirida com uma câmera de fluorescência (modo Red-Green-Blue [RGB]). Observe o contraste acentuado entre as áreas de dentes limpos e cobertas por placa. (C) A área dentária total, marcada pelo contorno alaranjado, é identificada pela segmentação baseada no limiar de intensidade. (D) A camada de objeto da imagem RGB é transferida para a imagem de canal vermelho (contorno laranja) e os pixels não objeto (fundo, tecidos moles) são excluídos. (E) O brilho das imagens do canal vermelho é realçado por um fator de dois. (F) A imagem do canal verde. Observe a redução da autofluorescência nas áreas cobertas por placa. (G) Após a subtração da imagem do canal verde (F) da imagem do canal vermelho modificado (E), o contraste entre as áreas cobertas pela placa e as áreas dos dentes limpos é evidente. (H) Após a segmentação por limiar de intensidade, as áreas cobertas pela placa são identificadas como objetos (contorno laranja) e o índice planimétrico da placa (IBP) pode ser calculado (IBP = 81,6%). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Espaçador personalizado. Um espaçador feito sob medida visto da frente (A), (B) lado e (C) atrás. (D) Câmera de fluorescência com espaçador montado (contorno laranja). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Aplicações e limitações da planimetria semi-automatizada. (A) Imagem de fluorescência de uma superfície dentária facial. (B) Imagem processada correspondente mostrando as áreas cobertas pela placa (contorno laranja; índice de placa planimétrica [IPP] = 51,9%). (C) Imagem de fluorescência de uma superfície dentária oral. (D) Imagem processada correspondente mostrando as áreas cobertas pela placa (contorno laranja; IBP = 14,5%). (E-H) Imagens de dentes com restaurações em resina composta. A restauração em E fluoresce fortemente no espectro verde, enquanto a restauração em G parece ligeiramente mais fraca do que as áreas de dentes limpos circundantes. Em ambas as imagens, o PPI pode ser determinado usando o algoritmo padrão de análise de imagens. (F,H) Imagens processadas mostrando as áreas cobertas pela placa (contornos alaranjados; IBP = 20,3% e 20,2%, respectivamente). (I,J) Imagens de fluorescência de um dente com restauração de amálgama (I) e de um dente com coroa metalocerâmica (J, contorno azul, adicionado manualmente). Ambas as restaurações são não-fluorescentes, e os depósitos de placa não podem ser quantificados por planimetria semi-automatizada. (K) Imagem de fluorescência de um dente com braquete ortodôntico metálico. Como o braquete é excluído da análise, o IBP pode ser determinado usando o algoritmo padrão de análise de imagem (L, contorno laranja, PPI = 31,5%). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Influência dos procedimentos clínicos na qualidade da imagem e nos resultados da planimetria semi-automatizada . (A) Imagem de fluorescência adquirida com luzes de ambiente escurecidas. A área total do dente é determinada corretamente após a segmentação da imagem baseada em limiares (contorno laranja). (B) Imagem de fluorescência do mesmo dente adquirida com as luzes da sala acesas. Devido a um aumento da emissão de fundo no espectro vermelho, a segmentação baseada em limiares não consegue diferenciar com precisão entre as superfícies dentárias e os tecidos moles circundantes (contorno laranja). (C) Imagem de fluorescência adquirida com abertura bucal insuficiente. Os dentes antagonistas não revelados são visíveis na imagem e, portanto, incluídos na área total do dente (contornos alaranjados). Para obter um índice de placa planimétrico correto, eles devem ser removidos manualmente durante a análise das imagens. (D) Imagem de fluorescência adquirida com ótimo posicionamento da cabeça da câmera. A área total do dente (contorno alaranjado) é limitada ao aspecto facial. (E) Imagem de fluorescência do dente em D adquirida com angulação subótima da cabeça da câmera. Parte da superfície oclusal é capturada, resultando em um aumento da área total do dente (contorno alaranjado). (F) Imagem em luz branca da placa revelada com coloração proeminente da gengiva. A alta emissão no espectro vermelho pode levar a uma superestimação da área coberta pela placa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo suplementar S1: Clique aqui para baixar este arquivo.
O método apresentado para planimetria semi-automatizada baseada em imagens de fluorescência constitui uma melhoria na quantificação da placa dental em superfícies dentárias hígidas no ambiente de pesquisa em comparação com a planimetriatradicional20. A planimetria semi-automatizada permite a determinação simultânea do IBP em até 1.000 imagens usando um algoritmo de pós-processamento pré-determinado. Dessa forma, o método é consideravelmente mais eficiente em termos de tempo do que a planimetria convencional, onde as áreas dentárias totais e as áreas cobertas por placa são determinadas manualmente pelo desenho de regiões de interesse em um software de processamento de imagens 7,12. Além disso, a extensão do julgamento humano na análise da imagem é reduzida à escolha de um limiar de brilho para a segmentação da imagem. Dessa forma, todas as imagens são tratadas da mesma forma, e a influência da subjetividade do examinador é bastante reduzida11.
As etapas críticas do protocolo estão predominantemente relacionadas aos procedimentos clínicos, que precisam ser realizados de forma altamente padronizada para a ótima qualidade da imagem. A solução reveladora deve ser aplicada suave e uniformemente, e as imagens devem ser adquiridas logo após o enxágue e secagem ao ar para evitar a lavagem do corante e, assim, a perda do contraste da imagem. Além disso, o sangramento gengival precisa ser evitado, uma vez que a hemoglobina pode potencializar a fluorescência registrada no canal vermelho19. A captação das imagens deve ser realizada com as luzes da sala apagadas para reduzir a interferência da luz ambiente, e os pacientes precisam abrir a boca suficientemente, para que os dentes antagonistas não apareçam nas imagens. A cabeça da câmera deve ser posicionada perpendicularmente ao eixo do dente para evitar a captura de parte da superfície oclusal e dentes contralaterais.
Artefatos resultantes da aquisição de imagens subótimas podem, na maioria dos casos, ser removidos durante a análise da imagem, embora às custas de um tempo de processamento consideravelmente maior. Alguns artefatos que são reconhecidos como objetos durante a segmentação podem ser limpos pela exclusão simples no editor de objetos. Se os artefatos forem confluentes com as áreas reconhecidas como placa, os objetos resultantes deverão ser divididos no editor de objetos antes da remoção. Em casos extremos, o operador pode ter que recorrer à determinação manual do dente limpo e áreas cobertas de placa bacteriana, desenhando regiões de interesse no software. Se todos os procedimentos clínicos forem realizados com precisão, a única entrada subjetiva do operador durante a análise da imagem consiste em determinar os valores de corte para as segmentações baseadas em limiares. Geralmente, as áreas cobertas por placa e dentes limpos são bem definidas nas imagens, mas é preciso mencionar que pequenas diferenças nos limiares escolhidos influenciam os valores calculados do IBP, embora em uma extensão relativamente baixa. Como todas as imagens adquiridas para um determinado estudo podem ser segmentadas com limiares idênticos, a escolha subjetiva dos pontos de corte não afeta as diferenças entre os grupos de tratamento ou de pacientes.
Assim como a planimetria manual, a planimetria semi-automatizada não é adequada para registros longitudinais do acúmulo de placa devido ao uso de uma solução reveladora. A eritrosina pode interferir no crescimento do biofilme por meio de atividade antibacteriana21,22,23, mas, o mais importante, a coloração proeminente requer remoção profissional da placa antes que o paciente seja enviado para casa. No entanto, o método descrito pode ser utilizado para a quantificação regular dos níveis habituais de placa na clínica. Outra limitação da planimetria semi-automatizada surge devido às diferenças de tamanho entre os dentes individuais. Embora a distância entre a câmera e a superfície dentária e, portanto, o tamanho do campo de visão possam ser padronizados, as imagens adquiridas podem incluir partes dos dentes vizinhos. Estes não podem ser removidos por uma operação em lote, mas apenas pelo recorte manual das imagens durante a análise. Embora a planimetria semi-automatizada seja apropriada para a quantificação da placa supragengival e do cálculo24 em superfícies dentárias hígidas, trabalhos futuros terão que determinar como o método descrito é afetado por defeitos dedesenvolvimento25, lesões de cárie cavitadas e não cavitadas, bem como manchas severas.
Em conclusão, a planimetria semi-automatizada é um método que permite quantificar de forma rápida e confiável a cobertura da área de placa usando uma câmera de fluorescência. Pode ser empregado em ensaios clínicos que avaliam a formação de nova placa em diferentes grupos de pacientes ou o efeito de diferentes regimes de tratamento na remoção da placa.
O estudo foi financiado pela Novozymes A/S e pelo Innovation Fund Denmark (processo número 9065-00244B). Os financiadores não tiveram qualquer papel na coleta, análise e interpretação dos dados ou na redação do relatório.
Os autores agradecem a Dirk Leonhardt por sua excelente assistência na fabricação aditiva dos espaçadores feitos sob medida. Lene Grønkjær, Javier E. Garcia, Charlotte K. Vindbjerg e Sussi B. Eriksen são reconhecidos por seu apoio técnico durante o estudo. Os autores também gostariam de agradecer a Matthias Beck pelo suporte técnico no uso da câmera de fluorescência e a Mette R. Jørgensen pelas discussões frutíferas.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3D Sprint Basic | 3D systems | Additive manufacturing software | |
5% erythrosine; Top Dent Rondell Röd | Top Dent Lifco Dental AB | 6327 | Disclosing solution |
D1000 lab scanner | 3 Shape | Lab scanner used to scan the camera head | |
DBSWIN 5.17.0 | Dürr Dental | Software for VistaCam | |
Digital image analysis in microbial ecology (Daime), version 2.2.2 | Freeware for image analysis | ||
LC-3D Print Box | NextDent | Polymerization unit | |
Meshmixer 3.5 | Autodesk | Freeware for designing custom-made spacer | |
NextDent 5100 | 3D systems | 3D-printer | |
NextDent Ortho IBT | 3D systems | Material for spacer | |
Ultrasound bath T660/H | Elma Schmidbauer GmbH | ||
VistaCam iX HD Smart intraoral camera | Dürr Dental | Coupled with a fluorescence camera head |
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