Δημιουργώντας ψηφιακή ροή εργασίας με επίκεντρο την υπολογιστική τομογραφία. Μια πρώτη κλινική προσέγγιση.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Παρά την πρόοδο που σημειώνεται στις υπολογιστικές μεθόδους τα στάδια μιας ψηφιακής ροής εργασίας, από την λήψη της ιατρικής εικόνας μέχρι την αποκατάσταση αφενός παραμένουν πολλά αυξάνοντας έτσι το αθροιστικό σφάλμα σε σχέση με την ακρίβεια και αφετέρου απαιτούν συνήθως δαπανηρά μέσα.

Σε αυτό το πλαίσιο, ο περιορισμός των σταδίων σε συνδυασμό με την μέγιστη δυνατή αξιοποίηση των δεδομένων της υπολογιστικής τομογραφίας είναι ένας στόχος που αξίζει να διερευνηθεί.

Με αυτό το αντικείμενο σχεδιάστηκε μια πρώτη μελέτη στον τομέα της θεραπείας με εμφυτεύματα επί μερικής νωδότητας μέχρι και την τοποθέτηση προσωρινής αποκατάστασης, ελαττώνοντας τα στάδια της ψηφιακής επεξεργασίας, αλλά και χωρίς να χρησιμοποιηθεί συμβατική ή ψηφιακή αποτύπωση.

Τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά και προσφέρονται σαν αφορμή για περισσότερη και πιο εμπεριστατωμένη έρευνα.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ο όρος ‘image-guided’ περιλαμβάνει τις διάφορες υπολογιστικά καθοδηγούμενες διαγνωστικές ή θεραπευτικές επεμβάσεις (image-guided interventions). Η εξέλιξη των ψηφιακών εργαλείων σε συνδυασμό με το κλινικό feedback ενισχύουν την υπόθεση ότι η επεξεργασία της ιατρικής εικόνας είναι η βάση για όλα τα σχεδιαστικά και κατασκευαστικά βήματα που ακολουθούν μετά την εισαγωγή της σε κατάλληλα λογισμικά.

Είναι πλέον πολλά τα διαθέσιμα λογισμικά, εμπορικά ή ελεύθερα, τα οποία με ημι-αυτόματες και αυτόματες μεθόδους επεξεργάζονται την εικόνα που λαμβάνεται από τους υπολογιστικούς τομογράφους με αποτέλεσμα είτε να αναπαράγονται με ακρίβεια τα ανατομικά μόρια είτε να παράγονται αξιόπιστα και ασφαλή σχέδια θεραπείας και αποκατάστασης. Το κλειδί για αυτή την επεξεργασία είναι η κατάτμηση (segmentation) των ανατομικών περιοχών ενδιαφέροντος η οποία με τη σειρά της συνδέεται άμεσα με την ποιότητα της λαμβανόμενης ιατρικής εικόνας από την υπολογιστική τομογραφία,

Οι αλγόριθμοι για ένα αυτοματοποιημένο segmentation διαρκώς βελτιώνονται αλλά στην περίπτωση των λεπτών και πολύπλοκων δομών του σπλαγχνικού κρανίου και ιδιαίτερα στο πλαίσιο της τεχνολογίας της υπολογιστικής τομογραφίας κωνικής δέσμης που εφαρμόζεται στην οδοντιατρική η κατάτμηση των ανατομικών μορίων γίνεται συνήθως είτε με το χέρι(manual), είτε με ημι-αυτοματοποιημένες μεθόδους από έναν έμπειρο κλινικό ή ακτινολόγο.

Σε κάθε περίπτωση η εικόνα(image) και η κατάτμηση(segmentation) έχουν θεμελιακή σημασία για το σχέδιο θεραπείας και την κλινική του εφαρμογή. Έχει τεκμηριωθεί ότι ο περιορισμός του αριθμού των σταδίων μιας ψηφιακής ροής εργασίας μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερο αθροιστικό σφάλμα και άρα σε μεγαλύτερη ακρίβεια στην κλινική εφαρμογή. Σε αυτό το πλαίσιο ο όρος ‘image-guided’ θα μπορούσε να περιλαμβάνει και την κατασκευή εκτός από την σχεδίαση-καθοδήγηση.

Η σχετική επιστημονική γνώση που έχει συσσωρευτεί στους τομείς της ιατρικής και της οδοντιατρικής είναι ήδη αρκετή ώστε να μπορούν να προσφέρονται πιο οικονομικές και ποιοτικές υπηρεσίες υγείας στον ασθενή. Ωστόσο μέχρις ότου αυτή η γνώση ενταχθεί σε διεπιστημονικά προγράμματα σπουδών θα σημειώνεται μια καθυστέρηση στην ευρύτερη αξιοποίησή της από την κοινωνία.

Σε αυτή την κατεύθυνση χρήσιμη θα ήταν στην οδοντιατρική η δημιουργία μιας ψηφιακής ροής εργασίας επικεντρωμένης στην επεξεργασία των δεδομένων της υπολογιστικής τομογραφίας όπως για παράδειγμα σε περιπτώσεις θεραπείας εμφυτευμάτων επί μερικής νωδότητας μέχρι και την τοποθέτηση προσωρινής αποκατάστασης, χωρίς να χρησιμοποιείται συμβατική ή ψηφιακή αποτύπωση.

Μια τέτοια ροή εργασίας θα είχε λιγότερα στάδια και άρα μεγαλύτερη ακρίβεια εφαρμογής καθώς επίσης εξοικονόμηση χρόνου και ελάττωση του κόστους. Παρουσιάζουμε μια τέτοια προσέγγιση με κλινικές εφαρμογές η οποία οδήγησε σε ενδιαφέροντα ευρήματα για αξιοποίηση και περαιτέρω έρευνα.

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ

Mια ψηφιακή ροή εργασίας για την τοποθέτηση εμφυτευμάτων και προσωρινών αποκαταστάσεων σε περιπτώσεις μερικής νωδότητας συνήθως ακολουθεί τα εξής στάδια:

1. Υπολογιστική τομογραφία κωνικής δέσμης(CBCT).

2. Εισαγωγή της εξέτασης (αρχεία DICOM) σε λογισμικό.

3. Λήψη ενδοστοματικού scan ή/και συμβατική αποτύπωση-κατασκευή εκμαγείου.

4. Εισαγωγή 3D αρχείου (STL) ενδοστοματικού scan στο λογισμικό.

5. Κατάτμηση(segmentation) των ανατομικών δεδομένων της CBCT και ταύτισή τους (registration) με αντίστοιχα ανατομικά στοιχεία του ενδοστοματικού scan. Σχέδιο τοποθέτησης εμφυτευμάτων και χειρουργικού οδηγού επί των ταυτισμένων(registered) στοιχείων και εξαγωγή του αρχείου του οδηγού.

6. Εκτύπωση του χειρουργικού οδηγού.

7. Τοποθέτηση των εμφυτευμάτων με τη βοήθεια του οδηγού.

8. Ενδοστοματικό scan με τη βοήθεια scan bodies.

9. Εισαγωγή 3D αρχείου (STL) ενδοστοματικού scan στο λογισμικό.

10. Επεξεργασία των αρχείων της σάρωσης, σχεδίαση προσωρινής αποκατάστασης και εξαγωγή του αρχείου της προσωρινής αποκατάστασης.

11. Εκτύπωση και τοποθέτηση της προσωρινής αποκατάστασης.

Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν ο περιορισμός των παραπάνω σταδίων και η δημιουργία μιας ψηφιακής ροής εργασίας η οποία θα παρέκαμπτε τα στάδια της αποτύπωσης και της ταύτισης και θα βασιζόταν στην CBCT – εάν βέβαια υπήρχε η αναγκαία επάρκεια και ευκρίνεια στα δεδομένα της. Σε αυτή την περίπτωση η ροή θα ακολουθούσε τα παρακάτω στάδια:

1. Υπολογιστική τομογραφία κωνικής δέσμης(CBCT).

2. Εισαγωγή της εξέτασης (αρχεία DICOM) σε λογισμικό.

3. Κατάτμηση(segmentation) των ανατομικών δεδομένων της CBCT. Σχέδιο τοποθέτησης εμφυτευμάτων, χειρουργικού οδηγού και προσωρινής αποκατάστασης επί των κατατμημένων(segmented) στοιχείων και εξαγωγή του αρχείου του οδηγού.

4. Εκτύπωση του χειρουργικού οδηγού και της προσωρινής αποκατάστασης.

5. Τοποθέτηση των εμφυτευμάτων με τη βοήθεια του οδηγού και της προσωρινής αποκατάστασης.

ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Στη μελέτη συμμετείχαν 16 ασθενείς (7 άνδρες, 40-72 ετών(μ.ο 60.3) και 9 γυναίκες, 26-69 ετών(μ.ο 56.6)) στους οποίους τοποθετήθηκαν 30 εμφυτεύματα με 18 χειρουργικούς οδηγούς (12 ‘half-guided’ και 18 ‘full-guided’, 14 στην άνω γνάθο και 16 στην κάτω γνάθο). Η τοποθέτηση ήταν άμεση(Τύπος 1) για 7 εμφυτεύματα, 3-4 μήνες (Τύπος 3) και >6μήνες (Τύπος 4) μετά την εξαγωγή για 4 και 19 εμφυτεύματα, αντίστοιχα.

Βασικό κριτήριο ένταξης των περιπτώσεων στη μελέτη ήταν η διενέργεια της υπολογιστικής τομογραφίας να είχε γίνει με τη βοήθεια τολυπίων στις ουλοχειλο/παρειακές αύλακες και τη γλώσσα σε απόσταση από την υπερώα έτσι ώστε να είναι δυνατή η απεικόνιση του βλεννογόνου.

Η επεξεργασία των δεδομένων έγινε με το ΕΛΛΑΚ(Ελεύθερο Λογισμικό/Λογισμικό Ανοικτού Κώδικα) 3D Slicer (https://www.slicer.org/), τα εμφυτεύματα ήταν XIVE(Dentsply Sirona), το υλικό των χειρουργικών οδηγών ήταν το πολυγαλακτικό οξύ(PLA) (3D Printer: da Vinci 1.0 Pro, XYZPrinting) και το υλικό των προσωρινών στεφανών ήταν η ρητίνη DIOnavi-C&B (3D Printer: Phrozen Sonic Mini 8K).

Για την κατάτμηση(segmentation) χρησιμοποιήθηκαν εργαλεία του segment editor του λογισμικού για manual ή semi-automatic segmentation. Σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο AMASS (Automatic multi-anatomical skull structure) για automatic segmentation. Στις περιπτώσεις που το αποτέλεσμα του segmentation για το οστό, τα δόντια και τον βλεννογόνο δεν ήταν ικανοποιητικό για να συνεχιστεί η σχεδίαση κατασκευαζόταν εκμαγείο το οποίο υποβαλλόταν σε σάρωση με το Medit i500(Medit Corp.).

Κατασκευάστηκαν 33 προσωρινές στεφάνες (6 μονήρεις, 9 δύο μονάδων ενωμένες και 3 γέφυρες τριών μονάδων με ακραία στήριξη στα τοποθετημένα εμφυτεύματα). Είχε προηγηθεί scan του tempbase του εμφυτεύματος XIVE και το αρχείο είχε ενσωματωθεί στο implant set(Εικόνα 1) το οποίο έχει παρουσιαστεί σε προηγούμενη ανάρτηση μαζί με μία τεχνική σχεδίασης των χειρουργικών οδηγών.

**Εικόνα 1.** Περίπτωση μονήρους αποκατάστασης επί κατατμημένων(segmented) δεδομένων στην κάτω γνάθο. **A,B**: Κατατμημένα στοιχεία (segments) οστoύ, βλεννογόνου με προφίλ ανάδυσης, παρακείμενων δοντιών, προσωρινής αποκατάστασης και 3D μοντέλο του tempbase στη θέση σχεδίασης του εμφυτεύματος. C: Λεπτομέρεια με διαφάνεια. D: Κλινική εικόνα δοκιμής.

Οι αποκαταστάσεις επί των tempbase σχεδιάστηκαν με τη βοήθεια modules του λογισμικού όπως το Markups και το Dynamic Modeler. Το όριο της σχεδίασης επεκτάθηκε μέχρι το βάθρο του tempbase. Η εκτυπωμένη στεφάνη χρησιμοποιήθηκε επί του tempbase με την τροποποίηση ότι αντί για συγκόλληση σε πλαστικό cap συγκολλήθηκε απευθείας στο tempbase το οποίο όμως στη συνέχεια μπορούσε να αποκοχλιώνεται μαζί με την στεφάνη από το εμφύτευμα(Εικόνα 2).

**Εικόνα 2.** Περίπτωση μονήρους αποκατάστασης επί κατατμημένων(segmented) δεδομένων στην άνω γνάθο. A: Αρχική κλινική εικόνα. B: Κατατμημένα στοιχεία (segments) οστoύ, βλεννογόνου και παρακείμενων δοντιών. C: Σχεδίαση χειρουργικού οδηγού. D: Κλινική εφαρμογή χειρουργικού οδηγού. **E,F:** Τοποθετημένο εμφύτευμα με tempbase. G: Προσωρινή στεφάνη συγκολλημένη στο tempbase. H: Κοχλίωση προσωρινής στεφάνης. I: Αμεση μετεγχειρητική εικόνα. Κ: Μετά από 3 μήνες.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Σε 6 ασθενείς η σχεδίαση έγινε αποκλειστικά σε κατατμημένα(segmented) δεδομένα της CBCT ενώ στους άλλους 10 η σχεδίαση έγινε σε ταυτισμένα(registered ) δεδομένα. Σε όλους τους ασθενείς η προσωρινή αποκατάσταση σχεδιάστηκε ταυτόχρονα με τη σχεδίαση του χειρουργικού οδηγού και σε όλες τις περιπτώσεις η εφαρμογή της προσωρινής αποκατάστασης ήταν επιτυχής. Σε 4 ασθενείς (6 εμφυτεύματα, 7 στεφάνες) οι προσωρινές στεφάνες χρησιμοποιήθηκαν για άμεση φόρτιση και στους υπόλοιπους 12 ασθενείς (24 εμφυτεύματα, 26 στεφάνες) πραγματοποιήθηκε μόνο διεγχειρητική δοκιμή της εφαρμογής.

Από τις 4 περιπτώσεις στις οποίες έγινε χρησιμοποίηση των προσωρινών στεφανών οι δύο αφορούσαν σχεδίαση μόνο σε κατατμημένα(segmented) δεδομένα και οι άλλες δύο σε ταυτισμένα(registered) δεδομένα(Εικόνες 3 και 4). Στις 4 αυτές περιπτώσεις η χρησιμοποίηση των προσωρινών στεφανών συνέβαλλε στην δημιουργία προφίλ ανάδυσης αντίστοιχου με αυτό που είχε εξαρχής σχεδιαστεί.

**Εικόνα 3.** Περίπτωση αποκατάστασης δύο μονάδων ενωμένων επί αυτισμένων (registered) δεδομένων στην άνω γνάθο. **A,B:** Σχεδίαση τοποθέτησης στην CBCT. **C,D:** Προσομοίωση εμφυτεύματος, tempbase και αποκατάστασης. E: Προσομοίωση της αποκατάστασης στη θέση της. F: Αρχική κλινική εικόνα. G: Σχεδίαση χειρουργικού οδηγού. H: Κλινική εφαρμογή χειρουργικού οδηγού. **I,K**: Προσωρινές στεφάνες τοποθετημένες.

**Εικόνα 4.** Περίπτωση γέφυρας τριών μονάδων με ακραία στήριξη στα τοποθετημένα εμφυτεύματα επί ταυτισμένων(registered) δεδομένων στην άνω γνάθο. A: Αρχική κλινική εικόνα. **B,C:** Σχεδίαση τοποθέτησης στην CBCT. **D,E**: Προσομοίωση εμφυτεύματος, tempbase και αποκατάστασης με και χωρίς διαφάνεια. F: Κλινική εφαρμογή χειρουργικού οδηγού. G: Full guided τοποθέτηση των εμφυτευμάτων. H,I: Τοποθετημένα εμφυτεύματα με τα tempbases. K: Αμεση τοποθέτηση της προσωρινής αποκατάστασης.

ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Σε αυτή την μελέτη σε σύγκριση με μια συνήθη ψηφιακή ροή εργασίας δεν χρησιμοποιήθηκε το στάδιο της αποτύπωσης για τη σχεδίαση και την κατασκευή της προσωρινής αποκατάστασης και σε μερικές περιπτώσεις το σύνολο της επεξεργασίας έγινε σε κατατμημένα(segmented) δεδομένα χωρίς να χρειαστεί το στάδιο της ταύτισης.

Σε όλες τις περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε ένα συγκεκριμένο εμφύτευμα, στο οποίο ήταν διαθέσιμη εξαρχής η προσωρινή βάση. Ωστόσο, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε άλλο εμφύτευμα, αρκεί να είναι γνωστές οι διαστάσεις του, το μήκος των τρυπανιών με τα οποία εκτελείται η υπολογιστική καθοδήγηση, η διάμετρος του δακτυλίου για την υποδοχή των σωληνίσκων καθοδήγησης ή κάποιου ανάλογου εξοπλισμού και ένα 3D μοντέλο της προσωρινής βάσης που θα χρησιμοποιηθεί μετά από σκανάρισμα του πρωτοτύπου ή γνωρίζοντας απλά τις διαστάσεις του.

Στην περίπτωση της προσωρινής βάσης αυτής της μελέτης υπήρξε ένας περιορισμός όσον αφορά το ύψος της σχετικά με την συγκράτηση της προσθετκής κατασκευής.

Στον σχεδιασμό της προσωρινής στεφάνης μπορεί να συμπεριληφθεί ο σχεδιασμός του προφίλ ανάδυσης και να καθοριστεί το εύρος και το βάθος του σε σχέση με το εμφύτευμα και τα παρακείμενα δόντια.

Το πρωτόκολο full-guided φαίνεται να εξασφαλίζει καλύτερο έλεγχο στην άμεση εφαρμογή της προσωρινής αποκατάστσσης αλλά χρειάζεται μια συγκριτική μελέτη με το πρωτόκολο half-guided ώστε αυτό να αποδειχθεί.

Η εκτύπωση ενός μοντέλου όπου θα προσομοιώνεται η τοποθέτηση των εμφυτευμάτων και της αποκατάστασης μπορεί να βοηθήσει στο φινίρισμα της αποκατάστασης με το χέρι και έτσι να κερδηθεί χρόνος τόσο σχεδιαστικός, όσο και διεγχειρητικός.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Σαν πρώτο συμπέρασμα, όλες οι παράμετροι της προτεινόμενης ροής εργασίας σχεδιαστικοί, χειρουργικοί και προσθετικοί επιδέχονται πολλών βελτιώσεων, αλλά η ουσία είναι ότι σήμερα υπάρχει η δυνατότητα πιο σύντομα, απλά και οικονομικά να εξασφαλίζεται καλή εφαρμογή μιας άμεσης προσωρινής αποκατάστασης, έστω καταρχήν σε περιπτώσεις μερικής νωδότητας.

Αυτή η δυνατότητα σχετίζεται άμεσα με την πρόοδο που συντελείται στον τομέα της λήψης και της επεξεργασίας της εικόνας του πεδίου επέμβασης και αποκατάστασης.

Τα ευρήματα αυτής της μελέτης προσφέροναι σαν ένα πρώτο υλικό για περαιτέρω διερεύνηση, όπως για παράδειγμα σε περιπτώσεις ολικής νωδότητας (σε πρόσφατη ανάρτηση αναφέρεται μια σχετική περίπτωση).

Τέλος, μια νέα σχετική μελέτη μπορεί να περιέχει μετρήσεις για την ακρίβεια της εφαρμογής και συγκρίσιμα αποτελέσματα με αυτά που προκύπτουν από τις συνήθεις ψηφιακές ροές εργασίας.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Chackartchi T, Romanos GE, Parkanyi L, Schwarz F, Sculean A. Reducing errors in guided implant surgery to optimize treatment outcomes. Periodontol 2000. 2022 Feb;88(1):64-72.

Chen ST, Buser D. Clinical and esthetic outcomes of implants placed in postextraction sites. Int J Oral Maxillofac Implants. 2009;24 Suppl:186-217.

Deferm JT, Nijsink J, Baan F, Verhamme L, Meijer G, Maal T. Soft tissue-based registration of intraoral scan with cone beam computed tomography scan. Int J Oral Maxillofac Surg. 2022 Feb;51(2):263-268.

van Eijnatten, M., Koivisto, J., Karhu, K. et al. The impact of manual threshold selection in medical additive manufacturing. Int J CARS 12, 607–615 (2017).

Fedorov A., Beichel R., Kalpathy-Cramer J., Finet J., Fillion-Robin J-C., Pujol S., Bauer C., Jennings D., Fennessy F., Sonka M., Buatti J., Aylward S.R., Miller J.V., Pieper S., Kikinis R. 3D Slicer as an Image Computing Platform for the Quantitative Imaging Network. Magnetic Resonance Imaging. 2012 Nov;30(9):1323-41

Gillot M, Baquero B, Le C, Deleat-Besson R, Bianchi J, Ruellas A, Gurgel M, Yatabe M, Al Turkestani N, Najarian K, oroushmehr R, Pieper S, Kikinis R, Paniagua B, Gryak J, Ioshida M, Massaro C, Gomes L, Oh H, Evangelista K, Chaves Junior CM, Garib D, Costa F, Benavides E, Soki F, Fillion-Robin JC, Joshi H, Cevidanes L, Prieto JC. Automatic multi-anatomical skull structure segmentation of cone-beam computed tomography scans using 3D UNETR. PLoS One. 2022 Oct 12;17(10):e0275033.

Januário AL, Barriviera M, Duarte WR. Soft tissue cone-beam computed tomography: a novel method for the measurement of gingival tissue and the dimensions of the dentogingival unit. J Esthet Restor Dent. 2008;20(6):366-73;

Kaminaka A, Nakano T, Ono S, Kato T, Yatani H. Cone-Beam Computed Tomography Evaluation of Horizontal and Vertical Dimensional Changes in Buccal Peri-Implant Alveolar Bone and Soft Tissue: A 1-Year Prospective Clinical Study. Clin Implant Dent Relat Res. 2015 Oct;17 Suppl 2:e576-85

Smith EJ, Anstey JA, Venne G, Ellis RE. Using additive manufacturing in accuracy evaluation of reconstructions from computed tomography. Proc Inst Mech Eng H. 2013 May;227(5):551-9.

Weidert S, Andress S, Linhart C, Suero EM, Greiner A, Böcker W, Kammerlander C, Becker CA. 3D printing method for next-day acetabular fracture surgery using a surface filtering pipeline: feasibility and 1-year clinical results. Int J Comput Assist Radiol Surg. 2020 Mar;15(3):565-575.