Name: digital hybrid model preparation for virtual planning of reconstructive dentoalveolar surgical procedures
Uploaded: 2021-08-05T14:15:00
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Cette étude a été menée en parfaite conformité avec la Déclaration d’Helsinki. Avant la préparation du manuscrit, le patient a donné un consentement éclairé écrit et signé. Le patient a donné son autorisation d’utiliser les données pour la démonstration du protocole.
1. Traitement de l’image radiographique
<ol><li>Charger les fichiers DICOM dans le logiciel<ol><li>Téléchargez la dernière version du logiciel d’imagerie médicale et ouvrez-la. REMARQUE : Après av...

<ol>
	<li>Jacobs, R., Salmon, B., Codari, M., Hassan, B., Bornstein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cone+beam+computed+tomography+in+implant+dentistry:+recommendations+for+clinical+use.">Cone beam computed tomography in implant dentistry: recommendations for clinical use.</a> BMC Oral Health. 18 (1), 88 (2018).</li><li>Mangano, F., Gandolfi, A., Luongo, G., Logozzo, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intraoral+scanners+in+dentistry:+a+review+of+the+current+literature.">Intraoral scanners in dentistry: a review of the current literature.</a> BMC Oral Health. 17 (1), 149 (2017).</li><li>Pauwels, R., Araki, K., Siewerdsen, J. H., Thongvigitmanee, S. 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J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Algorithm+for+planning+a+double-jaw+orthognathic+surgery+using+a+computer-aided+surgical+simulation+(CASS)+protocol.+Part+1:+planning+sequence.">Algorithm for planning a double-jaw orthognathic surgery using a computer-aided surgical simulation (CASS) protocol. Part 1: planning sequence.</a> International Journal of Oral Maxillofacial Surgery. 44 (12), 1431-1440 (2015).</li><li>Xia, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Algorithm+for+planning+a+double-jaw+orthognathic+surgery+using+a+computer-aided+surgical+simulation+(CASS)+protocol.+Part+2:+three-dimensional+cephalometry.">Algorithm for planning a double-jaw orthognathic surgery using a computer-aided surgical simulation (CASS) protocol. Part 2: three-dimensional cephalometry.</a> International Journal of Oral Maxillofacial Surgery. 44 (12), 1441-1450 (2015).</li><li>Lee, C. Y., Ganz, S. D., Wong, N., Suzuki, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+cone+beam+computed+tomography+and+a+laser+intraoral+scanner+in+virtual+dental+implant+surgery:+part+1.">Use of cone beam computed tomography and a laser intraoral scanner in virtual dental implant surgery: part 1.</a> Implant Dentistry. 21 (4), 265-271 (2012).</li><li>Ganz, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+imaging+and+guided+surgery+for+dental+implants.">Three-dimensional imaging and guided surgery for dental implants.</a> Dental Clinics of North America. 59 (2), 265-290 (2015).</li><li>G&#252;th, J. F., Kauling, A. E. C., Schweiger, J., K&#252;hnisch, J., Stimmelmayr, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+simulation+of+periodontal+surgery+including+presurgical+CAD/CAM+fabrication+of+tooth-colored+removable+splints+on+the+basis+of+CBCT+Data:+A+case+report.">Virtual simulation of periodontal surgery including presurgical CAD/CAM fabrication of tooth-colored removable splints on the basis of CBCT Data: A case report.</a> The International Journal of Periodontics &amp; Restorative Dentistry. 37 (6), 310-320 (2017).</li><li>Pauwels, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+radiation+dose+and+eye+lens+dose+in+dental+cone+beam+CT:+effect+of+field+of+view+and+angle+of+rotation.">Effective radiation dose and eye lens dose in dental cone beam CT: effect of field of view and angle of rotation.</a> The British Journal of Radiology. 87 (1042), 20130654 (2014).</li><li>Li, Q., Chen, K., Han, L., Zhuang, Y., Li, J., Lin, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+tooth+roots+segmentation+of+cone+beam+computed+tomography+image+sequences+using+U-net+and+RNN.">Automatic tooth roots segmentation of cone beam computed tomography image sequences using U-net and RNN.</a> Journal of X-ray Science and Technology. 28 (5), 905-922 (2020).</li><li>Lahoud, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artificial+intelligence+for+fast+and+accurate+3D+tooth+segmentation+on+CBCT.">Artificial intelligence for fast and accurate 3D tooth segmentation on CBCT.</a> Journal of Endodontics. 47 (5), 827-835 (2021).</li><li>Blume, O., Donkiewicz, P., Back, M., Born, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bilateral+maxillary+augmentation+using+CAD/CAM+manufactured+allogenic+bone+blocks+for+restoration+of+congenitally+missing+teeth:+A+case+report.">Bilateral maxillary augmentation using CAD/CAM manufactured allogenic bone blocks for restoration of congenitally missing teeth: A case report.</a> Journal of Esthetic and Restorative Dentistry. 31 (3), 171-178 (2019).</li><li>Hartmann, A., Seiler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minimizing+risk+of+customized+titanium+mesh+exposures+-+a+retrospective+analysis.">Minimizing risk of customized titanium mesh exposures - a retrospective analysis.</a> BMC Oral Health. 20 (1), 36 (2020).</li><li>Varga, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Guidance+means+accuracy:+A+randomized+clinical+trial+on+freehand+versus+guided+dental+implantation.">Guidance means accuracy: A randomized clinical trial on freehand versus guided dental implantation.</a> Clinical Oral Implants Research. 31 (5), 417-430 (2020).</li></ol>

Avec le protocole présenté, les morphologies des défauts parodontaux et alvéolaires peuvent être visualisées en trois dimensions (3D), fournissant une représentation plus précise de la situation clinique que ce qui peut être obtenu par des méthodes de diagnostic 2D et des modèles 3D générés avec des algorithmes de seuillage. Le protocole peut être divisé en trois phases principales : (1) la segmentation semi-automatique des ensembles de données CBCT, (2) l’enregistrement spatial des CBCT et IOS, et (3)...

Les progrès technologiques en dentisterie ont permis la planification et la simulation de traitements assistées par ordinateur d’interventions chirurgicales et de réhabilitation prothétique. Deux méthodes essentielles pour l’acquisition de données 3D en dentisterie numérique sont : (1) la tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT)1 et (2) le balayage optique intra-oral (IOS)2. Ces outils permettent d’acquérir des informations numériques sur toutes les structures anatomiques pertinentes (os alvéolaire, dents, tissus mous) pour planifier des interventions chirurgicales dento-alvéolaires reconstructives.
La technologie du faisceau conique a été introduite pour la première fois en 1996 par un groupe de recherche italien. Offrant une dose de rayonnement significativement plus faible et une résolution plus élevée (par rapport à la tomodensitométrie conventionnelle), la CBCT est rapidement devenue la modalité d’imagerie 3D la plus fréquemment utilisée en dentisterie et en chirurgie buccale3. La TCCS est souvent utilisée pour planifier différentes interventions chirurgicales (p. ex., chirurgie régénérative parodontale, augmentation de la crête alvéolaire, pose d’implants dentaires, chirurgie orthognatique)1. Les ensembles de données CBCT sont visualisés et peuvent être traités dans un logiciel d’imagerie radiographique qui fournit des images 2D et des rendus 3D, mais la plupart des logiciels d’imagerie utilisent des algorithmes basés sur des seuils pour la reconstruction d’images 3D. Les méthodes de seuillage définissent les limites supérieure et inférieure d’un intervalle de valeurs grises de voxel. Les voxels qui se situent entre ces limites seront rendus en 3D. Cette méthode permet une acquisition rapide du modèle ; cependant, comme l’algorithme ne peut pas différencier les structures anatomiques des artefacts métalliques et de la diffusion, les rendus 3D sont très imprécis et ont très peu de valeur diagnostique 4,5. Pour les raisons évoquées ci-dessus, de nombreux domaines de la dentisterie s’appuient encore sur les radiographies 2D conventionnelles (radiographies intra-orales, radiographie panoramique) ou sur les images 2D des ensembles de données CBCT5. Notre groupe de recherche a présenté une méthode de segmentation d’images semi-automatique dans un article récemment publié, à l’aide d’un logiciel de traitement d’images radiographiques open source6 dans lequel une reconstruction 3D anatomique des ensembles de données CBCT est effectuée7. À l’aide de cette méthode, les structures anatomiques ont été différenciées des artefacts métalliques et, plus important encore, l’os alvéolaire et les dents ont pu être séparés. Par conséquent, un modèle virtuel réaliste de tissus durs a pu être acquis. Des modèles 3D ont été utilisés pour évaluer les défauts parodontaux intra-osseux et pour la planification du traitement avant les chirurgies parodontales régénératives.
Les scanners optiques intra-oraux de surface fournissent des informations numériques sur les conditions cliniques (couronne clinique des dents et tissus mous). À l’origine, l’objectif de ces dispositifs était d’acquérir directement des modèles numériques de patients pour la planification et la fabrication de prothèses dentaires à l’aide des technologies de conception assistée par ordinateur (CAO) et de fabrication assistée par ordinateur (FAO)8. Cependant, en raison du large éventail d’applications, leur utilisation a été rapidement mise en œuvre dans d’autres domaines de la dentisterie. Les chirurgiens maxillo-faciaux combinent l’IOS et le CBCT dans une configuration hybride qui peut être utilisée pour l’ostéotomie virtuelle et la planification numérique des chirurgies orthognatiques 9,10. L’implantologie dentaire est probablement le domaine qui utilise le plus souvent la planification numérique et l’exécution guidée. La chirurgie intégrée élimine la plupart des complications liées au mauvais positionnement de l’implant. La combinaison d’ensembles de données CBCT et de fichiers de stéréolithographie (.stl) d’IOS est couramment utilisée pour planifier la mise en place guidée de l’implant et la fabrication de guides de perçage d’implants statiques11,12. Des scintigraphies intra-orales superposées à des ensembles de données CBCT ont également été utilisées pour préparer l’allongement esthétique de la couronne13 ; cependant, les tissus mous n’ont été superposés qu’à des ensembles de données CBCT reconstruits avec des algorithmes de seuillage. Cependant, pour effectuer une planification virtuelle 3D précise des interventions chirurgicales régénératives-reconstructives et de la pose d’implants dentaires, des modèles hybrides 3D réalistes de patients doivent être composés de données CBCT et IOS.
Par conséquent, cet article vise à présenter une méthode étape par étape pour acquérir des modèles numériques hybrides réalistes pour la planification chirurgicale virtuelle avant les interventions chirurgicales dento-alvéolaires reconstructives.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3DSlicer</td>
			<td>3DSlicer (The software was first developed at Queen&#8217;s University Canada and since it is open source it is constantly developed by it&#8217;s community)</td>
			<td>4.13.0-2021-03-19</td>
			<td>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&#8217;s use for dental purposes as well</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meshmixer</td>
			<td>Autodesk Inc.</td>
			<td>3.5</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

digital hybrid model preparation for virtual planning of reconstructive dentoalveolar surgical procedures

L’acquisition de modèles tridimensionnels (3D) virtuels et hybrides est présentée dans cet article, en utilisant la séquence de segmentation d’images radiographiques, d’enregistrement spatial et de modélisation de surface de forme libre. Tout d’abord, les jeux de données de tomodensitométrie à faisceau conique ont été reconstruits avec une méthode de segmentation semi-automatique. L’os alvéolaire et les dents sont séparés en différents segments, ce qui permet d’évaluer la morphologie 3D et la localisation des défauts parodontaux intra-osseux. La gravité, l’étendue et la morphologie des défauts aigus et chroniques de la crête alvéolaire sont validées concernant les dents adjacentes. Sur des modèles de tissus complexes virtuels, les positions des implants dentaires peuvent être planifiées en 3D. En utilisant l’enregistrement spatial des données IOS et CBCT et la modélisation de surface de forme libre qui en découle, il est possible d’acquérir des modèles hybrides 3D réalistes, visualisant l’os alvéolaire, les dents et les tissus mous. Grâce à la superposition des tissus mous IOS et CBCT, l’épaisseur au-dessus de la crête édentée peut être évaluée par rapport aux dimensions osseuses sous-jacentes ; Par conséquent, la conception du lambeau et la gestion du lambeau chirurgical peuvent être déterminées, et des complications occasionnelles peuvent être évitées.

Des modèles virtuels permettant des modèles tridimensionnels (3D) peuvent être générés à l’aide de la segmentation d’images radiographiques, du recalage spatial et de la modélisation de forme libre. Les modèles représentent numériquement la situation clinique, ce qui permet de planifier en trois dimensions diverses interventions chirurgicales. Avec une segmentation séparée de l’os et des dents, la limite entre les deux structures anatomiques est visible, la morphologie 3D et la localisation des défaut...

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Digital Hybrid Model Preparation for Virtual Planning of Reconstructive Dentoalveolar Surgical Procedures

Un flux de travail pour la création de modèles hybrides virtuels tridimensionnels (3D) a été conçu sur la base d’un ensemble de données de tomodensitométrie à faisceau conique et de scans optiques intra-oraux à l’aide de méthodes de segmentation d’images radiographiques et de modélisation de surface de forme libre. Les modèles numériques sont utilisés pour la planification virtuelle d’interventions chirurgicales dento-alvéolaires reconstructives.

Préparation de modèles hybrides numériques pour la planification virtuelle d’interventions chirurgicales dento-alvéolaires reconstructives

Virtual, hybrid three-dimensional (3D) model acquisition is presented in this article, utilizing the sequence of radiographic image segmentation, spatial ...

Des modèles virtuels réalistes peuvent montrer des défauts parodontaux et alvéolaires riches en trois dimensions. Par conséquent, ils peuvent faciliter le processus de traitement chirurgical et fournir une compréhension plus approfondie des mécanismes de guérison postopératoires. Par rapport aux méthodes précédentes et existantes, l’approche actuelle présente chaque structure anatomique indépendamment.Par conséquent, ces modèles virtuels 3D représentent le scénario clinique réel de manière réaliste. Cette méthode permet de surmonter les limites des processus de diagnostic traditionnels. Par exemple, la pose d’implants dentaires peut être planifiée sur des modèles 3D au lieu d’images plénières des scans CBCT.Le protocole actuel peut être appliqué dans d’autres domaines de la dentisterie, tels que la microchirurgie endodontique, la chirurgie orthétique et la chirurgie reconstructive après une résection de tumeur faciale. Commencez par la segmentation du processus en accédant au module d’édition de segments, sélectionnez le volume recadré précédemment créé comme volume principal de la segmentation active. Utilisez Ajouter pour ajouter et Supprimer pour supprimer des segments.Renommez ensuite les segments en fonction de la structure anatomique qu’ils représenteront. Commencez la segmentation de l’os alvéolaire en ouvrant la liste des effets et en sélectionnant Traçage de niveau, un outil semi-automatique qui délimite la région où les pixels ont la même valeur d’arrière-plan que le pixel sélectionné. Ensuite, faites glisser la souris sur le périmètre de la structure sur l’une des vues 2D, puis appuyez sur le bouton gauche de la souris pour générer le segment sur la tranche sélectionnée du jeu de données.Utilisez ensuite les outils manuels Peindre et Effacer pour modifier le segment et corriger les erreurs. Tracez le contour des dents et des implants à l’aide de l’outil Effacer et supprimez tous les pixels en surbrillance qui les représentent. Répétez le processus toutes les cinq tranches du jeu de données dans l’orientation sélectionnée.Une fois le processus de mise en plan terminé, calculez les segments manquants en sélectionnant Remplir entre les tranches dans la liste Effets, puis cliquez sur Initialiser pour activer l’interpolation des contours. Si les résultats sont satisfaisants, cliquez sur Appliquer. Ensuite, faites défiler l’ensemble de données une fois terminé pour vérifier et corriger les erreurs occasionnelles.Utilisez l’effet Lissage en sélectionnant Médiane comme méthode de lissage. Définissez ensuite la taille du noyau sur cinq x cinq x cinq pixels en ajustant la valeur millimétrique entre crochets et en cliquant sur Appliquer pour lisser les limites des segments en supprimant les protubérances. Une fois la segmentation de l’os alvéolaire terminée, répétez les mêmes étapes pour la segmentation des dents.Sélectionnez segmentation dans la barre déroulante pour ajouter le fichier STL de l’analyse intra-orale en tant que segmentation. Déplacez le curseur sur le module et, dans la barre latérale, sélectionnez l’assistant d’enregistrement de points de repère. Dans les menus déroulants des sections De points de repère et De point de repère, choisissez Créer de nouvelles marques de point de repère.Dans la section De en regard de la barre déroulante, utilisez l’icône Placer un point de balisage pour placer des points de repère sur des repères anatomiques bien définis sur le balayage optique intra-oral ou IOS. Les points de balisage seront numérotés par ordre de placement. Placez les marqueurs dans la même position pour créer la liste À.Et dans le même ordre sur l’ensemble de données de tomodensitométrie à faisceau conique ou CBCT, les points de balisage avec le même nombre doivent représenter le même point de repère anatomique. Une fois que les listes À sont prêtes, accédez au menu déroulant dans la section Transformation du résultat de l’enregistrement de la barre latérale et sélectionnez Créer une nouvelle transformation linéaire pour créer une transformation. Accédez au module de transformations et sélectionnez la transformation précédemment créée comme acte de transformation.Dans la section Appliquer la transformation, déplacez la segmentation IOS et la liste À partir des annotations de la zone Transformable vers la zone Transformé. Cette étape permet de superposer l’IOS sur l’ensemble de données CBCT. Ouvrez le logiciel de conception assistée par ordinateur ou de CAO, puis cliquez sur Importer sur l’écran d’accueil.Sélectionnez ensuite les modèles STL précédemment exportés depuis le logiciel de traitement d’image DICOM. Accédez à Sculpter dans la barre de menus. Et dans l’inventaire des pinceaux, sélectionnez la réduction adaptative pour affiner les modèles importés.Dans la barre latérale, cliquez sur l’onglet Sélectionner et choisissez Pinceau comme outil de sélection. Utilisez ensuite le mode Développer le pinceau et ajustez la taille du pinceau. À l’aide de la brosse, sélectionnez la couronne de chaque dent jusqu’à ce que la gencive marginale soit sur l’IOS.Dans l’onglet Modifier, sélectionnez Lisser la limite et cliquez sur Appliquer si les résultats sont satisfaisants. Accédez à Sélectionner et choisissez Modifier et séparer pour créer un objet individuel à partir de la zone sélectionnée. Ensuite, accédez à Analyse dans la barre de menus et sélectionnez Inspecter.Sélectionnez Flat Fill comme mode de remplissage complet, puis cliquez sur Auto Repair All pour créer des modèles fermés à partir du modèle IOS et des modèles de dents séparées. Dans le menu Sculpter, choisissez Réduire le pinceau lisse et lisser les bords du trou rempli. Utilisez la brosse rétractable lisse sur le modèle de dent segmentée jusqu’à ce que les dents soient complètement recouvertes par les couronnes dentaires séparées de l’IOS.Dans l’explorateur d’objets, sélectionnez à la fois la couronne séparée et le modèle segmenté de la même dent. Dans la barre latérale contextuelle, sélectionnez Union booléenne et cliquez sur Accepter. Utilisez l’option Réduire le lissage pour lisser la transition.Sélectionnez les modèles d’os et de tissus mous dans l’explorateur d’objets, puis optez pour la différence booléenne. En utilisant le même processus et des transitions douces que décrits, soustrayez les dents du modèle des tissus mous pour représenter la situation clinique de manière réaliste. Colorez les surfaces des modèles en sélectionnant Sculpter dans la barre latérale, puis en faisant passer le petit curseur de Volume à Surface.Dans l’inventaire des pinceaux, accédez à Peindre le sommet et utilisez la roue chromatique dans la section Couleur pour sélectionner la couleur souhaitée. Colorez la surface de chaque modèle. L’analyse représentative montre le contour de la région d’intérêt pixélisée avec la même valeur d’arrière-plan avec une ligne jaune.L’outil de segmentation semi-automatique du traçage de niveau a été utilisé en orientation sagittale, suivi d’une segmentation manuelle ultérieure. Les résultats de la segmentation semi-automatique ont été affinés à l’aide d’outils manuels, tels que Paint et Erase. La segmentation terminée a été observée en vue axiale, sagittale et coronale, et le modèle 3D a été généré automatiquement à partir des segments créés précédemment.La superposition de l’IOS et la modélisation CAO ultérieure ont permis de visualiser la situation clinique en trois dimensions. Le traçage de niveau est un outil efficace et intelligent de détection des bords. Toutefois, en raison des artefacts et de la dispersion, il peut être nécessaire de modifier manuellement les segments créés.Ce processus est relativement nouveau. Cependant, les résultats obtenus jusqu’à présent sont très prometteurs. Les modèles 3D pourraient avoir un énorme potentiel dans la planification, l’exécution et l’évolution des procédures chirurgicales en chirurgie dentaire et en parodontologie.

Research

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Medicine

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