UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE FACULDADE DE ODONTOLOGIA
SET-UP ORTODÔNTICO VIRTUAL COM VISUALIZAÇÃO DAS RAÍZES E LIMITES ÓSSEOS: PROPOSTA DE MÉTODO COM SOFTWARES GRATUITOS
Niterói 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE FACULDADE DE ODONTOLOGIA
SET-UP ORTODÔNTICO VIRTUAL COM VISUALIZAÇÃO DAS RAÍZES E LIMITES ÓSSEOS: PROPOSTA DE MÉTODO COM SOFTWARES GRATUITOS
DAVID SILVEIRA ALENCAR
Dissertação apresentada à Faculdade de Odontologia da Universidade Federal Fluminense, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre, pelo Programa de Pós-Graduação em Odontologia.
Área de Concentração: Ortodontia
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Trindade Simões da Motta.
Co-orientador: Prof. Dr. Felipe de Assis Ribeiro Carvalho
Niterói 2016
A368 Alencar, David Silveira
Set-up ortodôntico virtual com visualização das raízes e limites ósseos: proposta de método com software gratuito / David Silveira Alencar; orientador: Prof. Dr. Alexandre Trindade Simões da Motta, co-orientador: Prof. Dr. Felipe de Assis Ribeiro Carvalho – Niterói: [s.n.], 2016.
39 f.: il.
Inclui gráficos e tabelas
Dissertação (Mestrado em Ortodontia) – Universidade Federal Fluminense, 2016.
Bibliografia: f. 31-33
1.Ortodontia 2.Set-up virtual 3.Tomografia
computadorizada I.Motta, Alexandre Trindade Simões da [orien.] II.Carvalho, Felipe de Assis Ribeiro [co-orien.] III.Título
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Alexandre Trindade Simões da Motta
Instituição: Faculdade de Odontologia da Universidade Federal Fluminense (UFF) Decisão: Assinatura:
Prof(a). Dr(a). Claudia Trindade Mattos
Instituição: Faculdade de Odontologia da Universidade Federal Fluminense (UFF) Decisão: Assinatura:
Prof. Dr. Felipe de Assis Ribeiro Carvalho
Instituição: Faculdade de Odontologia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
AGRADECIMENTOS
Concluir este trabalho significa alcançar muito mais do que jamais sonhei quando me imaginei trabalhando com ortodontia. Chegar até aqui só foi possível graças à ajuda de diversas pessoas, que tentarei listar brevemente, como uma simples, porém sincera, homenagem.
Não teria conseguido percorrer o caminho até aqui sem o apoio incondicional dos meus pais, Flavio e Isabel. Me deram, além da vida, carinho, educação e exemplos que moldaram minha personalidade. Incentivam cada novo passo meu e, especialmente neste último, foram e continuam sendo inspiração e modelos.
Tenho a sorte e o orgulho de ser casado com a Débora. Além de linda, inteligente e dedicada, é uma ótima companheira. Em minhas melhores lembranças tenho ela ao meu lado e não vejo meu futuro sem seu choro fácil, implicância constante e amor sincero. É a melhor ortodontista que eu conheço e, se não fosse por ela, certamente eu não estaria aqui hoje.
Mesmo que o convívio próximo a Cacá e Tulio, meus irmãos, tenha sido prejudicado, qualquer momento de reunião faz parecer que ainda dividimos a mesma casa. Durante estes 3 anos que dediquei à minha formação acadêmica, não tive o tempo que gostaria para passar com eles nem com os meus demais familiares, em especial: minha avó Izaura, nossa maior torcedora; meus padrinhos Paulo e Tércia; primos Daniel e Júlia; Nicholas, cunhado que recentemente se intitulou padrinho do meu irmão. Sei que perdi instantes valiosos de suas companhias, uma vez que sou muito feliz sempre que os tenho comigo.
Tenho o mesmo sentimento pela família que ganhei com o casamento e sei que Carlos, Sandra, Vanessa e Leo sabem de sua importância em minha vida. Tenho ainda mais orgulho de fazer parte desta família desde a chegada do Henrique, que alegra qualquer ambiente e motiva encontros que costumavam ser mais raros.
Alguém disse: “viver sem amigos não é viver”. Não tenho certeza de quem foi o primeiro a dizer isso. Provavelmente Aristóteles. Mas essa é uma das frases que melhor se encaixam com o que penso da vida. Ao levar em conta quantas histórias, boas e ruins, teriam deixado de existir caso eu não tivesse algum amigo ao lado, só consigo ficar feliz em ter os amigos que tenho. E não importa se os conheci na graduação, se crescemos juntos em Niterói, se dividimos sanduíches para
sobreviver no leste europeu ou se vieram parar em minha vida por mero acaso. Todos são muito queridos e estão sempre nos meus pensamentos.
Neste meu retorno à UFF, preciso agradecer muito ao Alexandre Trindade Simões da Motta, meu orientador no estágio probatório e no mestrado, pela forma como me recebeu desde o inicio. Sempre atencioso e aberto à troca de ideias, fez com que me sentisse à vontade, mesmo em uma situação em que tudo era novo para mim. A oportunidade de realizar esta pesquisa, que me propiciou conhecimentos para além do campo da ortodontia, é devida a ele também, que além de me orientar em cada passo, vestiu a camisa do projeto e se empolgou com cada conquista que tivemos.
Poder ter o Felipe de Assis Ribeiro de Carvalho como co-orientador foi sem dúvidas determinante para o sucesso do trabalho. Todo o seu conhecimento e capacidade de instrução para os softwares – ortodônticos e não-ortodônticos – que utilizamos, acelerou muito a minha curva de aprendizado e a evolução do projeto. Além disso, me recebeu sempre de bom grado, mesmo quando muito solicitado por outros orientandos, e fez com que as horas quebrando a cabeça em frente ao computador na UERJ para resolver algum problema da metodologia fossem uma experiência ao mesmo tempo divertida e enriquecedora.
Sou muito grato também à Claudia Trindade Mattos, por ter dedicado seu valioso tempo para me ajudar na avaliação do trabalho. O fato de estar sempre muito atarefada com os mais diferentes trabalhos do departamento é só mais uma demonstração do quão competente ela é, servindo de exemplo para alunos da especialização ao doutorado. A experiência em suas aulas foi extremamente enriquecedora.
Ter dois expoentes da Ortodontia nacional como membros suplentes da banca em minha defesa é muito mais do que eu poderia pedir. Agradeço muitíssimo aos professores Nelson Mucha e Jonas Capelli pela disposição em ajudar e pelo tempo cedido. Aguardo ansioso por qualquer sugestão que possam oferecer.
Além do conteúdo que adquiri, o mestrado me propiciou conhecer pessoas extraordinárias: Cinthia, Daily, Ilana, Jamille, Johnny, Julia, Lilian, Natália, Pedro e Taísa, meus colegas de turma que me receberam de braços abertos e foram verdadeiros parceiros nesta jornada; Adriana, Alexandre, Andrea, Beatriz, Claudia, Mariana, Nelson e Oswaldo, os professores que me receberam muito
bem em sua casa e ofereceram um curso que ultrapassou em muito as minhas expectativas.
Meus primeiros grandes professores e amigos da Ortodontia, Akkineiw, Cyro, Fabio, Leo Camardella, Leo Drumond, Marcelo e Stella, além de os demais componentes da Smile, que me dão a felicidade do aprendizado e da convivência há seis anos. Realizar o meu sonho de ser ortodontista foi possível graças a vocês e, por isso, eu serei sempre muito grato.
A todos os que não pude ou me esqueci de citar, agradeço em dobro, pela compreensão.
LISTA DE ABREVIATURAS
3D – tridimensional, do inglês three dimensional; CT – computed tomography;
CBCT – Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico, do inglês Cone Beam Computed Tomography;
Kv – kV (quilovolt) – 1 × 1.000 volts; mA – mA (miliampère) – 1/1.000 A;
RESUMO
Alencar, DS; Carvalho, FA; Motta, AT. Set-up ortodôntico virtual com visualização das raízes e limites ósseos: proposta de método com softwares gratuitos. Niterói: Universidade Federal Fluminense, Faculdade de Odontologia; 2016.
Introdução: Simulações de tratamentos ortodônticos através de set-up permitem visualizar e compreender os benefícios e limitações da terapêutica proposta. Modelos digitais tomográficos permitiriam set-ups virtuais com visualização das raízes dentárias, porém apresentam imagens coronárias de baixa qualidade, o que pode prejudicar a interpretação dos contatos oclusais. Além disso, o custo de licenciamento dos softwares de manipulação tridimensional utilizados pode torná-los menos acessíveis. Objetivo: Desenvolver uma metodologia para criar um set-up virtual que permita visualização dos movimentos dentários, incluindo avaliação oclusal e das alterações no relacionamento entre raízes e osso alveolar, utilizando primordialmente softwares gratuitos. Metodologia: Foi selecionada uma documentação pré-tratamento contendo modelos de estudo em gesso e TCFC. Um operador utilizou um scanner de luz branca para digitalizar os modelos de gesso, além do programa ITK-Snap para segmentar a tomografia, resultando em dois modelos digitais dentários de diferentes origens e modelos tridimensionais da maxila e da mandíbula, exportados para o software MeshLab. As coroas dentárias dos modelos de gesso foram isoladas e, na sequência, alinhadas e fundidas com as raízes da TCFC, criando um modelo híbrido para cada dente. Movimentos de translação e rotação foram realizados em cada modelo dentário, com ferramenta específica para manipulação espacial disponível no programa, de forma a simularem duas opções de tratamento com extrações de quatro pré-molares. Os modelos de maxila e mandíbula foram usados como referências para avaliação e alteração dos posicionamentos radiculares. Conclusões: A metodologia proposta possibilitou set-ups ortodônticos 3D com a possibilidade de avaliar com precisão os contatos oclusais e as mudanças na relação entre raízes dentárias e osso alveolar.
Palavras-chave: modelos dentários; tomografia computadorizada de feixe cônico;
ABSTRACT
Alencar, DS; Carvalho, FA; Motta, AT. Virtual orthodontic set-up with roots and bone limits visualization: method proposal with free software. Niterói: Universidade Federal Fluminense, Faculdade de Odontologia; 2015.
Introduction: Orthodontic treatment simulations through set-up enables the visualization and understanding of benefits and limitations of the treatment plan. Digital models from CT could allow virtual set-up with root visualization, but present low quality coronary images, which could adversely affect the interpretation of dental contacts. Besides that, licensing cost of software used in 3D manipulation can make them less accessible. Objectives: The objective of this study was to develop a methodology to create a virtual set-up that allows evaluation of occlusal changes and visualization of root movements, mainly using free software. Material and Methods: A pretreatment file containing study plaster models and CBCT was selected. One operator used a white-light scanner to scan the models scanned and segmentation was performed on the CBCT using ITK-Snap software, resulting in two digital dental models of different origins and 3D models of the maxilla and mandible, exported to MeshLab. Dental crowns of the plaster models were isolated and, in sequence, aligned and fused with the roots of CBCT, creating a hybrid model for each tooth. Translations and rotations were executed for each teach, using the software’s specific 3D manipulation tool, in order to simulate two treatment options with extraction of four premolars. The jaw models were used as references for root positioning changes. Conclusion: The methodology proposed enabled three-dimensional orthodontic set-ups with high occlusion accuracy, while assessing changes in the root/bone relation.
Keywords: dental models; cone-beam computed tomography; imaging, three-dimensional.
9 Formatado: Posição: Horizontal: 18,71 cm, Em relação a: página, Vertical: 1,38 cm, Em relação a: Parágrafo SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO ... 10 2.METODOLOGIA ... 12 3. ARTIGO PRODUZIDO ... 20
Virtual orthodontic set-up with roots and bone limits visualization: method proposal with free software
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1.INTRODUÇÃO
O posicionamento dentário ideal, buscado por profissionais e pacientes envolvidos no tratamento ortodôntico, tem como principais metas o correto contato entre as coroas dentárias quando em oclusão, com a mais agradável estética do sorriso5. Tais relações são obtidas através da movimentação da unidade dente-periodonto, o que torna importante para o correto diagnóstico e planejamento ortodôntico a compreensão das limitações impostas pelas estruturas esqueléticas9, assim como dos efeitos radiculares das movimentações coronárias.
A visualização coronária é simples, com opções como o exame clínico direto, a avaliação fotográfica e o estudo de modelos. Assim, não só o posicionamento dentário inicial, mas todas as alterações ocorridas durante o tratamento podem ser registradas para compreensão da evolução do caso. O set-up ortodôntico é um recurso útil no planejamento e permite predizer a relação oclusal final através da manipulação do posicionamento das coroas em modelos dentários, auxiliando o ortodontista na escolha de um plano de tratamento possível e adequado2.
A possibilidade recente de utilizar modelos virtuais para realização dos
set-ups pode tornar este recurso mais acessível, uma vez que, quando comparados com
os convencionais, têm um tempo de confecção menor, não consomem espaço para armazenamento como modelos de gesso, além de serem de fácil transporte, reprodução e edição1,2, 24. As suas maiores limitações são: a necessidade de um software específico para tal manipulação, o que pode gerar um custo adicional de licença; a necessidade de uma etapa de digitalização dos modelos; e o fato de, assim como nos set-ups convencionais, as simulações se restringirem à região coronária, o que pode comprometer a distinção de movimentos dentários extremos.
As informações referentes ao posicionamento radicular e a anatomia óssea têm sido obtidas principalmente através das radiografias panorâmicas, requisitadas em exames pré, trans e pós-tratamento4. Tais radiografias, no entanto, apresentam elevados graus de distorção, podendo não retratar exatamente aquilo que o paciente apresenta, tanto pela sobreposição de estruturas, que dificultam a interpretação do exame, como por alterações dimensionais pela incidência da radiação1.
Com a criação da Tomografia Computadorizada de Feixe-Cônico (TCFC), a odontologia passou a contar com uma ferramenta importante para visualização
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tridimensional de tecidos de difícil acesso em exames radiográficos convencionais, uma vez que seu processo de formação de imagem permite a visualização, em camadas, das morfologias esquelética e dentária em proporção e formas adequadas3,4,7-10,19,25. Através da utilização de programas de computador específicos, a criação de modelos 3D de indivíduos escaneados, em um processo chamado de segmentação, possibilita a visualização destes de forma mais dinâmica, além de permitir sobreposição de imagens com diferentes propósitos.
As TCFC, porém, apresentam algumas limitações, como a dose de radiação aumentada3,4,19 quando comparada a exames radiográficos convencionais. Especificamente para a criação de set-up virtuais, outro ponto negativo seria a geração de artefatos quando o paciente possui restaurações radiopacas, que podem prejudicar a qualidade do exame. Dependendo do tamanho da unidade de formação da imagem tomográfica (o voxel) e da capacidade de distinção entre dois pontos diferentes (resolução espacial)12, a segmentação de estruturas próximas com densidade similar pode ser dificultada11,18. Tais limitações podem afetar as imagens das coroas dentárias, o que levaria a uma pior qualidade destas estruturas nos modelos gerados na segmentação e influenciaria diretamente na exatidão do set-up gerado por prejudicar a visualização dos contatos dentários11,14-18,20-23.
A criação de dentes híbridos, com coroas advindas dos modelos digitais e raízes originárias de imagens tomográficas é uma opção para aumentar a fidelidade dos modelos dentários virtuais. Nas primeiras metodologias propostas era comum serem necessárias ao menos duas tomografias por paciente, uma delas com moldes de silicone ou registros de mordida em cera na boca, acompanhados de marcadores radiopacos, como guta-percha e esferas de cerâmica16,22,23,26. O registro em cera ou os moldes de silicone eram, em seguida, escaneados para geração dos modelos virtuais, que seriam sobrepostos à tomografia do paciente com ajuda dos marcadores, que serviam como referência16,22,23.
Um método de sobreposição alternativo para imagens 3D de diferentes origens seria o registro baseado em pontos de superfície4,13. Os programas capazes de realizá-lo analisam os objetos a serem alinhados e alteram seu posicionamento espacial, aproximando-os até que o maior número de pontos de superfície dos dois objetos passe a coincidir4,13. Tem como principal vantagem a simplificação da técnica por eliminar a necessidade de uso de marcadores4.
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Através desta técnica de sobreposição, um método para o rastreamento de raízes durante o tratamento ortodôntico foi proposto4,19, utilizando os dentes híbridos iniciais sobrepostos a modelos digitais pós-tratamento. Assim, os modelos finais eram melhorados e apresentavam a correta relação radicular, para avaliação de seu paralelismo4,19. Porém, a relação destas raízes com o osso alveolar não foi avaliada no inicio nem no fim do tratamento, muito menos foi possível predizer esta relação durante o tratamento, com a evolução da alteração dos posicionamentos dentários.
Para se realizar este tipo de sobreposição, e consequentemente a fusão de imagens tridimensionais de origens diferentes em um único modelo, é necessário utilizar programas não específicos da odontologia, o que pode gerar dificuldades técnicas para domínio destas ferramentas. Por se tratarem, em geral, de programas de origem industrial, seu custo de licenciamento é outro fator que pode afastar pesquisadores e, principalmente, clínicos, ainda mais quando somado aos custos dos softwares para segmentação de tomografias, para realização do set-up virtual e possivelmente para obtenção das imagens digitais originais.
Este trabalho tem como objetivos: propor um método para realização de um
set-up virtual utilizando dentes híbridos, compostos por coroas de modelos digitais e
raízes de TCFC, para simulação das alterações oclusais pretendidas, com a possibilidade de acompanhamento dos movimentos radiculares consequentes e da relação entre osso alveolar e raízes dentárias durante o tratamento ortodôntico; utilizar prioritariamente programas gratuitos e de livre acesso, para aumentar o alcance da técnica, diminuindo o seus custos e permitindo que alterações nos códigos dos programas possam facilitá-la, no futuro.
2.METODOLOGIA
Para o desenvolvimento desta metodologia, foi selecionada a documentação ortodôntica inicial de um paciente da Clínica do Programa de Pós-Graduação em Ortodontia, da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal Fluminense (UFF), de Niterói, Rio de Janeiro, Brasil. Para orientar a escolha, foi definido que a documentação deveria ser composta por TCFC inicial e modelos de gesso iniciais, pertencer a um paciente com dentição permanente completa até segundos molares e que a má-oclusão inicial deveria possibilitar o tratamento com extração de
pré-13
molares e retração anterior em ao menos um dos arcos. Assim, foi selecionada a documentação de uma paciente adulta, com biprotrusão dento-alveolar, com tomografia adquirida usando o tomógrafo iCat-3D e processada através do próprio
software de captura do equipamento (2.0.21 Xoran Technologies, Ann Arbor, EUA),
sistema de aquisição calibrado a 120 (5) Kv, 3-8 (+ 10%) Ma e tamanho do voxel de 0,4 mm.
Os modelos de gesso iniciais da paciente foram digitalizados com o scanner Maestro 3D (AGE Solutions, Pisa, Itália), no Departamento de Ortodontia da Faculdade de Odontologia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). Com este scanner de luz branca, é necessário digitalizar um modelo por vez, para apreensão de detalhes da anatomia coronária e, posteriormente, ambos os modelos em oclusão, para reprodução desta relação e sua reorientação. O programa Maestro Easy Dental Scan (AGE Solutions, Pisa, Itália), fornecido pela fabricante do scanner, foi utilizado para processamento da imagens e criação dos modelos 3D em formato STL.
2.1 Extraindo os modelos dentários da tomografia
Para segmentar os arcos dentários, a maxila e a mandíbula da paciente, foi utilizado o programa gratuito ITK-Snap (www.itksnap.org). Este software permite selecionar, na tomografia, os voxels necessários para geração de modelos individualizados de estruturas de interesse. Através da função Active Contour
Segmentation foi possível realizar uma seleção inicial automatizada da região a ser
extraída. Para isso, foi necessário: definir uma região de interesse tridimensional (ROI); definir os limites de radiopacidade para seleção, de forma a diminuir a inclusão de voxels não desejados; e criar bolhas que o programa utilizaria como centros iniciais de inclusão (Figura 1).
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Com a obtenção da segmentação preliminar, foi necessária uma complementação manual. Utilizando a ferramenta Paintbrush, os voxels erroneamente selecionados foram removidos (Figura 2), enquanto aqueles que
Figura 2 – Processo de segmentação manual utilizando o software ITK-Snap, com A)
remoção dos voxels que formam a imagem do osso mandibular; B) Evolução dos modelos gerados após segmentação manual.
Figura 1 – No software ITK-Snap é feita A) seleção do campo de interesse; B) definição dos limiares de radiopacidade; C) criação das bolhas e evolução da seleção de pixels.
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haviam sido excluídos na etapa automática, seriam incluídos manualmente, em cada um dos cortes da tomografia. Este passo de refinamento permitiu a criação de quatro modelos: dois modelos dentários separados, um para o arco inferior e outro para o arco superior, com dentes com raízes bem definidas e separadas do osso alveolar; um modelo individualizado da maxila e outro da mandíbula com as suas coroas dentárias. Os quatro modelos foram salvos em formato STL.
2.2 Criação dos modelos híbridos
Inicialmente, os arquivos STL dos modelos escaneados foram importados no
software gratuito MeshLab (http://meshlab.sourceforge.net) para separação das suas
coroas dentárias e remoção da gengiva e das bases dos modelos. Foi utilizada a função Z-Painting, o pincel de seleção e a opção “Delete the current set of selected
faces and all the vertices surrounded by the faces” (Figura 3A). Estas ferramentas
foram utilizadas sempre que foi deseja a remoção ou a separação de determinadas estruturas dos modelos durante o trabalho.
Na sequência, o modelo dentário superior extraído da TCFC foi importado para o programa (FIGURA 3B), e usado como referência para o alinhamento com as coroas extraídas do modelo digital superior, utilizando a opção “Glue Here Mesh” na
Figura 3 Utilizando o software MeshLab, os modelos híbrido foram criados após: A)
Seleção e recorte das coroas do modelo digital; B)Seleção de pontos para aproximação inicial; C) modelos após aproximação inicial e após best-fit; D) Remoção das coroas tomográficas.
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função Align. Após a marcação das coroas e seleção da opção “Point Based Glueing”, quatro pontos foram reproduzidos nos dois modelos e serviram como bases para um alinhamento inicial (FIGURA 3C). Ao selecionar a opção Process, o programa promove a aproximação dos pontos de superfícies até que ocorra a maior coincidência entre eles.
O processo descrito no parágrafo anterior foi reproduzido para os modelos inferiores e, para finalizar a criação dos modelos híbridos, restava a remoção das coroas das tomografias, que foi realizada utilizando as ferramentas citadas anteriormente. As coroas e raízes, agora alinhadas, foram fundidas com a opção “Flatten Visible Layers”, criando dois arquivos STL novos: um modelo híbrido superior e um inferior (Figura 3D).
Para possibilitar a confecção do set-up, cada modelo híbrido foi copiado 14 vezes, com o objetivo de gerar um arquivo STL individual para cada dente. Assim, em cada uma dessas cópias, um dente era selecionado e os outros removidos. Ao final deste processo, foram gerados 2 modelos híbridos de arcadas completas (um superior e um inferior), além de 28 modelos dentários individuais, um para cada dente do paciente.
2.3 Set-up virtual
Para confecção do set-up virtual, os 28 arquivos STL correspondentes aos dentes híbridos foram importados no software MeshLab. Com a finalidade de testar diferenças de posicionamento radicular em uma mesma mecânica, dois planos de tratamento com extração de quatro pré-molares foram simulados: o primeiro com retração dos dentes anteriores e ancoragem máxima, simulando a utilização de mini-implantes; e o segundo com retração anterior e mesialização dos dentes posteriores, considerado mais fiel a um tratamento convencional. Ambos os set-ups não promoveram alterações no posicionamento dos segundos molares, para que estes dentes pudessem ser usados como referências para sobreposições das simulações com o caso inicial.
Utilizando a opção “Delete Current Mesh”, os primeiros pré-molares foram excluídos da simulação. Em seguida, utilizando a ferramenta Manipulators, os dentes foram selecionados, um por vez, para movimentação. Nesta ferramenta, o
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botão Esc permite alternar entre o modo manipulação de câmera e o modo de edição, o que permite mudar o ângulo de visão, para melhor visualização da movimentação. A edição é confirmada pressionando a tecla Enter no modo de edição e cancelada apertando Backspace.
Ao pressionar o botão T, foi possível transladar livremente os dentes com a utilização do mouse. Para restringir a translação a um eixo específico, possibilitando uma movimentação mais controlada, seria necessário apertar as teclas X, Y ou Z
(Figura 4).
A função de edição de rotação pode ser ativada pelo botão R e, inicialmente, permite rodar os dentes livremente ao arrastá-los com o mouse. Novamente, as teclas X, Y ou Z, uma vez pressionadas, possibilitariam restringir a rotação ao eixo desejado. Na função rotação, ainda seria possível escolher qual referência de
Figura 4 – Com a ferramenta de Manipulators, do software MeshLab são realizados
movimentos de translação que podem ser restritos: A) Ao eixo x; B) Ao eixo z; C) Ao eixo y.
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rotação utilizar: o centro do modelo ou a sua origem. Neste caso, foi utilizado o centro do modelo, pois foi a opção que simulou melhor os movimentos de inclinação,
angulação e rotação dentárias (Figura 5).
Ainda que as alterações sejam realizadas em um dente de cada vez, todos os outros objetos importados para o programa estão visíveis durante toda a manipulação, o que permite usá-los como referências para a simulação (Figura 6). Assim, foi possível carregar os arquivos STL da maxila e da mandíbula juntamente com os dentes híbridos e realizar um set-up virtual e visualizar as alterações do posicionamento radicular e sua relação com os ossos alveolares ao mesmo tempo
Figura 6 – Set-up superior com visualização da maxila para referência. A) Translação
do 23 restrita ao eixo X; B) Rotação do 23 restrita ao eixo Y; C) Rotação do 23 restrita ao eixo Z.
Figura 5 – Rotação restrita a: A) eixo y; B) eixo x; C) eixo Z. Utilizando a função rotate,
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em que as movimentações ocorriam. Assim, movimentos que promovessem riscos aumentados de fenestrações e deiscências ósseas poderiam ser avaliados e alterados imediatamente. Os modelos resultantes destes set-ups foram avaliados por dois ortodontistas de forma a identificar relações oclusais inviáveis, corrigidos e salvos no formato STL.
2.4 Sobreposição entre set-ups e modelos iniciais
O modelo híbrido inicial foi importado para o MeshLab e utilizado como padrão para a sobreposição dos dois set-ups. Os segundos molares foram usados para marcação dos pontos de referência necessários para a aproximação inicial da ferramenta Align, bem como para o alinhamento completo das arcadas. Os modelos de maxila e mandíbula foram carregados para que fosse possível avaliar as alterações no posicionamento radicular relativo aos ossos alveolares, nos dois
planos de tratamento realizados (Figura 7).
Figura 7– A) Sobreposição do modelo inicial (azul) com o set-up de ancoragem
máxima (vermelho), o set-up com perda de ancoragem (verde), maxila e mandíbula. B) Visão oclusal dos modelos superiores sobrepostos; C) modelos inferiores sobrepostos; D) Visão oclusal dos modelos inferiores sobrepostos.
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3. ARTIGO PRODUZIDO
Artigo a ser submetido para a seção Techno Bytes, do periódico American Journal of
Orthodontics and Dentofacial Orthopedics.
Title: Virtual orthodontic set-up with roots and bone limits visualization: method proposal with free software
Keywords: dental models; cone-beam computed tomography; imaging, three-dimensional.
Authors: David Silveira Alencara, Felipe de Assis Ribeiro Carvalhob, Alexandre Trindade Simões da Mottac.
a
DDS, MS student, Dental Clinics Department, Universidade Federal Fluminense, Niterói, Brazil b
DDS, MS, PhD, Professor, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil c
DDS, MS, PhD, Professor, Dental Clinics Department, Universidade Federal Fluminense, Niterói, Brazil
Institution: Dental Clinics Department, Universidade Federal Fluminense, Niterói, Brazil. Address: Rua Mário Santos Braga, 30, 2º andar, sala 214, Campus do Valonguinho, Centro, Niterói, RJ, Brazil, CEP: 24020-140
phone: 55-21-2622-1621
Corresponding author: Alexandre Trindade Simões da Motta
address: Prof. Alexandre Trindade Simões da Motta, Faculdade de Odontologia, Departamento de Ortodontia, Rua Mário Santos Braga, 30, 2º andar, sala 214, Campus do Valonguinho, Centro, Niterói, RJ, Brazil, CEP: 24020-140
phone: 55-21-2622-1621 e-mail: [email protected]
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ABSTRACT
Introduction: Virtual set-ups are easier to achieve, reproduce, edit, share and compare, while maintaining the effectiveness and accuracy of the conventional method. However, software needed for virtual set-up creation have high license cost and still don’t simulate root translation properly, what can cause risky movements to be inadvertently planned. Therefore, the propose of this study was to develop a methodology to create a virtual set-up that allows to assess root/bone relationship alterations during treatment by tracking root movements, using mainly free software. Material and Methods: A pretreatment CBCT scan and study plaster model of a patient were selected. Using a white light scanner, the plaster models were digitized, while a threshold segmentation was performed on the CBCT, generating two digital dental models from different origins. The dental crowns from plaster models were merged with CBCT roots, creating one hybrid model for each tooth. Translations and rotation were performed on those hybrid models in order to simulate 2 treatment options with four premolar extractions. Conclusion: The methodology proposed enabled orthodontic treatments simulations with three-dimensional while assessing changes in the root/bone relation.
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INTRODUCTION
The evolution in 3D image-taking techniques is making tridimensional digital models increasingly popular in orthodontics1. Being easier to stock, catalog, duplicate and less prone to break while maintaining the quality of detail reproduction and the possibility of analysis, they have been gradually replacing the traditional analog models1. Those advantages become even clearer when generating a setup. Virtual setups are easier, cleaner and faster than their plaster/wax version while keeping their simulation quality1, 2, with the possibility to superimpose them with other forms of 3D images used in orthodontics.
Computed tomography (CT) has been playing an important role in orthodontics and bucomaxillofacial surgery3,4,5 planning, by providing detailed three-dimensional information and visual access to internal morphology of soft tissues and skeletal structures. Both researchers and clinicians are able to evaluate and measure bone structures and dental roots, analyzing variations associated to treatment or diseases effects with high reproducibility rates using cone-beam computed tomography (CBCT)3,4,6,7,8,9,10 even though the quality of the generated image may be directly influenced by the voxel size used to obtain3,4,7,11,12 and spatial resolution11.
The correct reconstruction of the teeth's occlusal surfaces and proximal contact is a prerequisite for orthodontic planning13,14,15,16, whether or not based on CT images. However, the use of CBCT images in a valuable resource such as the virtual set-up is still limited by the poor quality of tomographic generated dental crowns12,17,18, due to a segmentation process that is hindered by the occlusal contacts in which the patient is scanned16 and affected by artifacts that decrease the accuracy of the proximal and occlusal contacts reconstruction14-16,19-23.
High resolution images of dental crowns with high fidelity can be obtained by different dental scans techniques: from models, moldings or intraoral scans16,18,22,24. Their downside is the impossibility to evaluate dental roots positioning19,21. When planning a case where visualizing changes in roots position or its interaction with the bone structure may be relevant, the combination of CBCTs and dental scans is required in order to obtain three-dimensional images of dental roots and high definition dental crowns in a single hybrid model19,21. This possibility seems to gain relevance, since CBCT made it easier to visualize the real alveolar bone limits6,25 and
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possible to identify root resorptions in surfaces previously hidden in standard orthodontic radiographs4,10.
To fabricate a virtual setup with the possibility of tracking the root position and its relationship with the limits of the alveolar bone, various steps are considered: 1. Accurate three-dimensional reconstruction of the teeth, especially their roots, from the tomographic image; 2. Merging the teeth of the 3D reconstruction and the digital scanned model; 3. Generation of virtual orthodontic set-up; and 4. Superposition of the set-up on the initial scan to verify the relationship between roots and bone plates reconstruction.
Some methods have been suggested to integrate images of dental roots derived from CT and dental crowns that come from digital models21-23,26. Although the authors have achieved good accuracy, such methods have proved difficult to be used by the clinician, as they need markers such as titanium spheres, ceramic balls or softened gutta percha as references for registration. Different research lines13,14,19 have been proposed to merge the CBCT images and digital dental models using point-based registration5,19. In this technique, a software analyzes the surface information of each set of data and performs an automatic closest points overwrite, adjusting structures with translation and rotation5, 19. The error in the two surfaces combination is evaluated by measuring the distance between different surface points of the two images13, 14.
It seems clear that the high cost to obtain licenses for softwares that allow 3D manipulation in dentistry can impose a limitation to their use. Other issue might be the necessity to combine softwares, frequently from other areas of science and unfriendly to the clinician, to perform an accurate merge of roots and crowns from different backgrounds.
The objective of this study was to propose a new methodology, using primarily free access software, for superimposition of three-dimensional images of dental roots obtained with computed tomography and 3D images of dental crowns derived from digital models, creating a hybrid model with the best possible resolution. It was also aimed to propose a method to assess the hybrid teeth's roots movement, as well as their relationship with the alveolar bone, after virtual set-up, superimposing initial and final dental images over the initial tomography.
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MATERIAL AND METHODS
Sample Selection
For this study, a pretreatment orthodontic file of a patient undergoing treatment at the Clinic of Postgraduate Program in Orthodontics, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brazil was selected. The patient presented complete permanent dentition, a Class II malocclusion, biprotrusion and initial records comprising plaster models and cone-beam computed tomography. The CBCT scan was acquired using a iCat-3D machine and processed through the scanner own image capture software (2.0.21 Xoran Technologies, Ann Arbor, Mich). The acquisition system was calibrated operating at 120 (+5) Kv, 3-8 (+ 10%) Ma and voxel size of 0.4 mm.
Models scanning
The models scanning was performed in the Department of Orthodontics, Dental School, Universidade do Estado do Rio de Janeiro. In a first stage, each model was introduced into the white light scanner Maestro 3D (AGE Solutions, Pisa, Italy) individually, followed by a second stage when they were introduced occluded as a pair. The objective of the first scan was to improve the quality of coronary structures images, while the second was needed to improve the relation between the pair of models. The information generated by the scanner was processed by Maestro Easy Dental Scan software (AGE Solutions, Pisa, Italy) and the digital models generated were saved in STL format.
Extracting models from CBCT
The patient's initial CT scan, converted to DICOM format, was processed through ITK-Snap (www.itksnap.org), a free software for image manipulation which allows segmentation, isolating each arch to evaluate the anatomy of its elements. With the Active Contour Segmentation tool, the region of interest (ROI) for automatic segmentation was selected in the image's 3 planes. At first, the ROI was restricted to the crowns of the inferior teeth. Threshold values were set between 4525 and 818, to differentiate structures that would be selected by the software’s segmentation tool. The last step of this stage was to create bubbles to serve as the origin of the voxel selection process that leads to a teeth model detached form the alveolar bone.
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A manual completion was necessary to correct errors made by the automatic procedure. Using the Paintbrush tool, wrongly included voxels were eliminated from the selection, while those that were excluded in the initial segmentation were included individually in each section of the tomography (FIGURE 1).
In order to complete the teeth segmentation, the process is repeated selecting a ROI that encompasses the roots of the lower teeth, setting threshold to 2026 and 1360 and removing wrongly added bone voxels. The model generated is exported to a stereolithographic (STL) file. The same steps are followed to obtain the upper arch and the maxillary and mandibular bones.
Creating hybrid dental models
Using MeshLab (http://meshlab.sourceforge.net) the previously created STL files were imported in pairs (each CBCT segmentation with its scanned model) to create the upper and lower hybrid models. Using the selection brush on the Z-Painting option, the gingiva and the models bases were selected and removed by clicking on the “Delete the current set of selected faces and all the vertices
surrounded by the faces”, in order to create a file with isolated dental crowns.
With the Align function selected, the CBCT file was set as references by selecting the Glue Here Mesh option. With the segmentation model marked, the point
based glue tool was selected. Four randomly selected points were chosen on both
the digital and the segmentation model, leading to a primary approach of these objects. Clicking on Process started the Suface Based Registration, where the program performed an automatic approximation of the two models reducing the two surfaces points distances by translation and rotation of the non-reference data.
With the two objects aligned, the next step was to remove the dental crowns from tomography segmentation models, as it could interfere with the future occlusion. Using the Z-Painting tool, the surfaces to be removed were selected, and then excluded with the “Delete the current set of selected faces and all the vertices
surrounded by the faces” option. The two models were then merged, using the Flatten Visible Layer option, accessible by clicking with the right mouse button on the Layer Dialog. This process was repeated, generating two unique new models, one
upper and one lower, with hybrid teeth composed by the dental crowns from the digital dental models and the dental roots from CBCT. Both hybrid models were exported as STL files corresponding to the patient’s initial situation (FIGURE 2). Each
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tooth was also separated from the whole models using the Z-Painting tool and the “Delete the current set of selected faces and all the vertices surrounded by the faces” option, to generate a single STL file for each hybrid tooth. In the end of this step, 30 STL files had been created using MeshLab (28 single hybrid teeth and 2 hybrid whole arch models)
Virtual set-up
With all the hybrid teeth files imported to MeshLab, the tooth to be moved was selected (Figure 3A). By clicking on the Manipulators Tools function, it was possible to change the position of the selected file, translating and rotating it in three planes of space. It was also possible to change the image’s scale, what was not interesting for the setup, in order to keep it reliable. The first step to manipulate tooth positioning was selecting which of this three aspects do you wish to alter by clicking T (Translate), R (Rotate) or S (Scale)
When the Translate option was selected (Figure 3B), the software enabled free alteration of the selected object’s positions by clicking with the mouse’s left button and dragging. For a more accurate movement, it was possible to select a specific axis to translate the object by pressing x,y or z keys. By pressing Esc, the
Camera Manipulation Mode was activated, what allowed the user to choose for a
better point of view for the next alteration. Pressing Esc again would deactivate the
Camera Manipulation Mode, enabling Edit Mode. The translate would be confirmed
once the Enter button was pressed while in Edit Mode, pressing Backspace before it would cancel the unconfirmed alterations.
The Rotate option, when selected, allows to freely rotate the selected object (Figure 3C). There also was the option to choose in which axis to rotate for a more accurate manipulation, once again by pressing the x,y or z keys. In this option it was also possible to switch the reference for the rotation, which by default was around Mesh Origin to BBox Center by pressing the Space Bar. In this study, the BBox Center was used, since it better simulated dental tip, torque and rotation. Changes can be confirmed in Edit Mode by pressing Enter or cancelled by pressing
Backspace.
Although each object was moved at a time, other objects could be visible while doing it, such as the other teeth of the patient or even his bones. These background objects could act as references to the movement and could be useful to evaluate the effects of tooth repositioning in the relationship between roots and alveolar bone
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while these changes were made, the latest an advantage when compared with software made specifically for setup creation.
Two virtual set-ups were performed simulating a treatment with 4 bicuspid extractions and anterior retraction. The first proposed treatment was planned to use full anchorage for the retraction, translating anterior teeth with torque control and allowing only minor posterior teeth movement in order to align then. The second molars were kept out of the simulation, to function as a reference for future superimpositions. This set-up’s final results were evaluated by two orthodontists in order to check for occlusal unviable aspects and then exported to STL files when approved by both.
The same virtual set-up process was repeated in order to simulate a treatment considered to better mimic actual treatments performed in clinical orthodontics, with some anchorage loss except for the second molars that were kept unaltered for reference and with alterations in torque and tip to better finalize the case. Once again, after the final result was approved by the two orthodontists, the files where exported to STL files.
Superimposing setup on the initial models and analyzing bone relationship Back in MeshLab’s Align tool, each hybrid second molar was used as reference to align the setup models and the initial models. Since those teeth were not moved from their original position, they served as references to check the setup’s global alignment. Using the segmentation technique previously described for ITK-Snap, it was possible to create the maxilla's and the mandible’s tridimensional models. The hybrid setup models could be realigned with them, in order to observe the bone/root relationship alterations, and to evaluate the bone remodeling demanded by the chosen treatment approach.
Using the same technique, two or more treatment option could be superimposed with the bones, for comparison, as shown in Figure 5. Any positioning correction needed in order to perfect the treatment results could be made simply by selecting the Manipulators Tools and following the Virtual Setup step once again. The software also enabled linear and volumetric measurements, favoring the comprehension and study of both mechanics.
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The search for a better understanding of the relationship between roots and alveolar bone is a historical concern for orthodontists. The possibility to visualize those structures three-dimensionally in a 1:1 scale, given by CT, makes it possible to study the limitations imposed by the cortical bone in tooth movements, through serial CBCT exams3,4,5,6,7,8,9,10. Aiming to reduce the dose of radiation that patients would be exposed in such a study, a simulation of those movements with accurate reproduction of the bone and root structures, as well as the various occlusal relationships generated by tooth movement, would be of great value.
With the growing popularization of 3D imaging in orthodontics, clinician-friendly computer software were made available on the market, providing superimposition tools for three-dimensional images from different sources. Despite this, a tool that allows the separation of the teeth’s roots and the alveolar bone in tomography images appear to be uncommon in these programs. In addition, their high licensing cost appears to restrict its use for part of the orthodontic community, even researchers.
By proposing a methodology to isolate the dental images from their alveolar bone and fuse the CT and dental scan models by using free software, tracking root movements when planning orthodontic treatment becomes more accessible, making it possible to create studies to analyze the limitations of virtually every orthodontic treatment, with minimum radiation exposure. The cost of the operation is restricted to the achievement processes (CBCT scan & dental models scan).
With the perception, made possible by CT scans, that the limits of the alveolar bone are more tight than it was believed when analyzing radiographs, it seems important to understand the actual orthodontist's ability to translate dental roots during treatment. In particular, with regard to large anterior retractions in cases with premolar’s extractions. With the increasing use of mini-implants, a body movement of the teeth involved in this mechanics without anchorage loss has become somewhat easier to achieve. It seems understandable that the consequences of such movements should be studied in order to avoid a greater biological cost to the proposed treatment, either by root damage, bone loss or increase in treatment time.
To comprehend the effects of a full anterior retraction in the bone/roots relationship on an extreme biprotrusion treated with four bicuspids extractions seems to be vital for an accurate orthodontic planning. The set-up that simulated a treatment
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with maximum anchorage and complete anterior retraction, generated impossible root positions, even considering that the treatment would cause some bone remodeling, since the maximum linear distance between the root apex of the final tooth position and the initial cortical bone was around 7mm.
Analogous clinical situations, such as Class II and Class III camouflages, in which extractions may be planned for anterior retraction with maximum anchorage present mechanical difficulties that reflect the incompatibility, observed in the set-up, between desired root translational movement and the skeletal anatomy. This could explain in vivo tridimensional root measurements, recently made possible by CBCT24, that showed relative high rates of palatal root resorptions in teeth subjected to orthodontic treatment with premolar extraction10.
It seems common for this treatment approach to require tip and torque changes, in order to allow a better occlusion, maybe associated with restoration, to close the remaining spaces. The set-up which was considered more representative of a real treatment, with some mesial movement of posterior teeth, included those kind of changes in order to restrict arch length and showed more favorable root positions when overlap with initial CBCT maxillary and mandibular bones. In this case, the root translation rate appears to be smaller due to the greater inclination changes, which caused the distances between the apices of the final models and initial alveolar bone to be smaller than in the first set-up.
By using free software, most of the operational cost for these procedures is reduced, since licenses to software specially made for dentistry are still very expensive. This enables more dentists to access those operations by removing a serious limitation usually found in this process. Other important limitation, that remains in free software, is the unfriendly design in regards of 3D manipulation. Some experience in the area may be important to the success of the methodology proposed here. Since both programs used are not specific for dental use, it is necessary to know tools and terms that are not intuitive for the clinical orthodontist, which can cause initial difficulties. This seems to be a problem faced by beginners in orthodontic software as well and can be solved with practice.
Basic edition of the software program would make it more intuitive, by removing undesirable function and highlighting those that would be used frequently. In other research areas, such as engineering, this seems to be a common approach, as can be seen in modifications made to the same software used in this work and
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described in the internet. Such conjunct efforts would make it easier for the clinicians to extract more information from pretreatment exams commonly requested and would enable researchers to understand nuances of the orthodontic mechanics.
The segmentation step, which still requires extensive manual intervention, seems more prone to errors, especially by operators unused to visualize and manipulate tomographic images. Further studies should be conducted to evaluate the reliability and reproducibility of this process, as it is the real time-consuming step in this methodology, especially when using CT images with larger voxel size. With new-generation scanners and a greater focus on making segmentation software more friendly, shorter working time could be spent in order to extract better models from CBCT.
CONCLUSION
1. The methodology proposed demonstrates a possibility for tracking dental roots during an orthodontic virtual set-up, in order to assess its relationship with the bone bases both during and after the orthodontic movement, by using three-dimensional exams increasingly required by orthodontists and free computer software.
2. The segmentation and the need to create a hybrid model for better occlusal references makes the process more time consuming and training dependent, what appears to be the major limitation of the methodology.
3. Machinery evolution and specific software programming may be the way to facilitate this procedure and make it more accessible to researchers, clinicians and orthodontic students.
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REFERENCES
1.Im J, Cha JY, Lee KJ, Yu HS, Hwang CJ. Comparison of virtual and manual tooth setups with digital and plaster models in extraction cases. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2014;145:434-442.
2. Barreto MS; Faber J; Vogel CJ; Araujo TM. (2015) Reliability of digital orthodontic setups. The Angle Orthodontist In-Press.
3.Lund H, Grondahl K, Grondahl HG. Cone beam computed tomography for assessment of root length and marginal bone level during orthodontic treatment. The Angle orthodontist. 2010;80(3):466-473.
4.Lund H, Grondahl K, Hansen K, Grondahl HG. Apical root resorption during orthodontic treatment: A prospective study using cone beam CT. Angle Orthodontist. 2012;82(3):480-487.
5.Lee RJ, Weissheimer A, Pham J, Go L, Menezes LM, Redmond WR, Loos JF, Sameshima GT, Tong H. Three-dimensional monitoring of root movement during orthodontic treatment. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2015;147:132-142.
6.Ferreira MC, Garib DG, Cotrim-Ferreira F. Method standardization of buccal and palatal arch bone plate measurement using Cone Beam Computed Tomography. Dental Press J Orthod. 2010;15(1):49.e41-49.e47.
7.Sun Z, Smith T, Kortam S, Kim DG, Tee BC, Fields H. Effect of bone thickness on alveolar bone-height measurements from cone-beam computed tomography images. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2011;139(2):e117-127.
8.Garib DG, Raymundo Jr. R, Raymundo MV, Raymundo DV, Ferreira SN. Tomografia computadorizada de feixe cônico (Cone beam): entendendo este novo método de diagnóstico por imagem com promissora aplicabilidade na Ortodontia. R Dental Press Ortodon Ortop Facial 2007;12(2):139-156.
9.Garib DG, Yatabe MS, Ozawa TO, Silva Filho OG. Alveolar bone morphology under the perspective of the computed tomography: Defining the biological limits of tooth movement. Dental Press J Orthod 2010;15(5):192-205.
10.Campos MJ, Silva KS, Gravina MA, Fraga MR, Vitral GW. Apical root resorption: The dark side of the root. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2013;143:492-8.
11.Molen AD. Considerations in the use of cone-beam computed tomography for buccal bone measurements. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2010;137(4 Suppl):S130-135.
32
12.Maret D, Telmo R, Peters OA, Lepage B, Treil J, Inglèse JM, Peyre A, Kahn JL, Sixou M. Effect of voxel size on the accuracy of 3D reconstructions with cone-beam CT. Dentomaxillofacial Radiology. 2012; 41:649–655.
13.Noh H, Nabha W, Cho J, Hwangc H. Registration accuracy in the integration of laser-scanned dental images into maxillofacial cone-beam computed tomography images. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2011;140:585-591.
14.Nkenke E, Zachow S, Benz M, Maier T, Veit K, Kramer M, et al. Fusion of computed tomography data and optical 3D images of the dentition for streak artefact correction in the simulation of orthognathic surgery. Dento maxillo facial radiology. 2004;33(4):226-232.
15.Rangel FA, Maal TJ, Berge SJ, Kuijpers-Jagtman AM. Integration of digital dental casts in cone-beam computed tomography scans. ISRN Dentistry. 2012;2012:949086.
16.Swennen GR, Mommaerts MY, Abeloos J, De Clercq C, Lamoral P, Neyt N, et al. A cone-beam CT based technique to augment the 3D virtual skull model with a detailed dental surface. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 2009;38(1):48-57.
17.Waard O, Rangel FA, Fudalej PS, Bronkhorst EM, Kuijpers-Jagtman AM, Breuning KH. Reproducibility and accuracy of linear measurements on dental models derived from cone-beam computed tomography compared with digital dental casts. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2014;146:328-336.
18.Akyalcin S, Dyer DJ, English JD, Sar C. Comparison of 3-dimensional dental models from different sources: Diagnostic accuracy and surface registration analysis. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2013;144:831-837.
19.Lee RJ, Pham J, Choy M, Weissheimer A, Dougherty HL, Jr., Sameshima GT, et al. Monitoring of typodont root movement via crown superimposition of single cone-beam computed tomography and consecutive intraoral scans. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2014;145(3):399-409.
20.Gateno J, Xia JJ, Teichgraeber JF, Christensen AM, Lemoine JJ, Liebschner MA, et al. Clinical feasibility of computer-aided surgical simulation (CASS) in the treatment of complex cranio-maxillofacial deformities. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 2007;65(4):728-734.
21.Plooij JM, Maal TJ, Haers P, BorSTLap WA, Kuijpers-Jagtman AM, Berge SJ. Digital three-dimensional image fusion processes for planning and evaluating
33
orthodontics and orthognathic surgery. A systematic review. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 2011;40(4):341-352.
22.Swennen GR, Mommaerts MY, Abeloos J, De Clercq C, Lamoral P, Neyt N, et al. The Use of a Wax Bite Wafer and a Double Computed Tomography Scan Procedure to Obtain a Three-Dimensional Augmented Virtual Skull Model. J Craniomaxillofac Surg. 2007;18(3):533-539.
23.Swennen GR, Mollemans W, De Clercq C, Abeloos J, Lamoral P, Lippens F, et al. A cone-beam computed tomography triple scan procedure to obtain a three-dimensional augmented virtual skull model appropriate for orthognathic surgery planning. The Journal of craniofacial surgery. 2009;20(2):297-307.
24.Camardella LT, Souza JM, Vilella BS, Vilella OV. Avaliação da acurácia e confiabilidade de modelos digitais por escaneamento de modelos de gesso. OrtodontiaSPO. 2014; 47(6):553-559.
25.Horner KA, Behrents RG, Kim KB, Buschang PH. Cortical bone and ridge thickness of hyperdivergent and hypodivergent adults. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2012;142:170-8.
26.Uechi J, Okayama M, Shibata T, Muguruma T, Hayashi K, Endo K, Mizoguchi I. A novel method for the 3-dimensional simulation of orthognathic surgery by using a multimodal image-fusion technique. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2006;130:786-798.
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Figure captions
Figure 1 – Segmentation process using Using ITK-Snap: A) field of interest selection; B)
manual voxel selection/removal; C) model evolution following manual segmentation.
Figure 2 – Using MeshLab: A) dental crowns selected for isolation; B) point selection for
initial alignment; C) initial alignment and best fit alignment; D) hybrid models after CBCT crowns removal.
Figure 3 – Virtual Set-up achieved with the Manipulators Tools in MeshLab: A) Upper canine
selected for z-axis translation; B) y-axis limited local rotation; C) x-axis limited local rotation; D) Full canine retraction; E) Complete superior set-up relation with pre-treatment lower arch; F) Complete set-up with maximum anchorage.
Figure 4 – Virtual set-up using bones as references in MeshLab: A) Upper canine selected
for z-axis translation; B) x-axis translation; C) upper canine selected for y-axis rotation; D) Upper set-up completed; E) intermediate inferior set-up; F) Complete set-up with anchorage loss.
Figure 5 – Models superimposition for comparison between set-up with maximum anchorage
(red), set-up with minimum anchorage (green) and the initial model (blue), with maxilla and mandible as references.
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Figure 7
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Figure 8
37
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4.CONCLUSÕES
Com a metodologia proposta foi possível rastrear o movimento radicular durante a elaboração dos set-ups, com auxílio de referências oclusais de melhor resolução. Este recurso pode agregar mais informações no diagnóstico e planejamento ortodôntico, possibilitando melhor compreensão das limitações impostas aos movimentos dentários. Meios de tratamento que dependam de set-ups virtuais para sua confecção, como alinhadores estéticos e brackets linguais personalizados, podem ser beneficiados pelas informações de posicionamento radicular disponibilizadas pela técnica descrita.
A utilização de programas gratuitos, compatíveis com os sistemas operacionais mais populares e de exames de crescente utilização pelos ortodontistas, visa tornar o acesso a este recurso mais amplo, facilitando a padronização e o aperfeiçoamento da metodologia.
A confiabilidade e a reprodutibilidade da segmentação de dentes em tomografia ainda devem ser testadas em trabalhos futuros, devido à necessidade de complementação manual extensa.
Assim como acontece na utilização de programas criados especificamente para a confecção de set-ups virtuais, é necessário treinamento para maior domínio das ferramentas. Isso parece ter maior destaque na etapa de extração dos modelos tomográficos e na confecção do modelo híbrido, do que na etapa da simulação.
Os autores esperam que a metodologia proposta incentive a edição dos
softwares de programação aberta utilizados, tornando-os mais amigáveis para
diminuir a sua curva de aprendizado. Além disso, com a evolução dos scanners tomográficos, bem como da resolução das imagens geradas, pode-se prever um processo de segmentação automatizado mais eficiente, dispensando a necessidade de modelos híbridos e reduzindo o tempo consumido na confecção dos set-ups virtuais com rastreamento de raízes.
