Comparación de los métodos de superposición basados en puntos de referencia/segmentación y en vóxeles para la evaluación de los cambios morfológicos a largo plazo de la mandíbula

El equipo científico de Eurosplint presenta un nuevo estudio.

Objetivos.

Nuestro objetivo fue evaluar el impacto de diferentes algoritmos de superposición de modelos 3D creados a partir de imágenes CBCT. Se estudiaron una serie de escáneres de TCC postoperatorios para evaluar los cambios en la morfología y la posición de la mandíbula durante la cirugía.

Hemos aplicado los métodos de superposición más comunes en la práctica clínica y científica. Las imágenes de TC postoperatorias de siete pacientes fueron evaluadas en nuestro estudio. Los datos iniciales fueron la primera tomografía computarizada postoperatoria que se realizó generalmente dentro de la primera semana después de la cirugía en todos los estudios de pacientes. La segunda y tercera tomografía se realizaron a los 4 y 12 meses de la cirugía, respectivamente.

Métodos de superposición

En primer lugar, en nuestra investigación se utilizó la combinación del método de segmentación basado en puntos de referencia y el método de superposición basado en la superficie. Se trata de una técnica de superposición semiautomática. Para ello utilizamos el software Meshlab. Los volúmenes de CBCT fueron importados al software ITK-SNAP para la segmentación con el fin de crear superficies 3D de las mandíbulas. Las superficies 3D del primer, segundo y otros puntos de tiempo postoperatorios se exportaron como archivos de estereolitografía (STL) utilizando el software ITK-SNAP. (Fig. 1).

Figura 1. Segmentación 3D de los maxilares postoperatorias del primer y segundo punto temporal.

Después de la segmentación de la mandíbula a partir de diferentes puntos temporales, el sistema de coordenadas no se corresponde con el paso del automóvil, la orientación del vehículo y el paciente en el escáner.

Fig 2. Superficies 3D de los maxilares en diferentes momentos en un sistema de coordenadas único.

La posición espacial de la primera mandíbula postoperatoria fue diferente a la de la segunda mandíbula postoperatoria. En primer lugar, aplicamos el método de superposición basado en los marcadores del software Meshlab. Al mismo tiempo, se seleccionaron cinco pares de puntos de referencia en las dos mandíbulas virtuales 3D. (Fig. 3).

Fig. 3.5 pares de referencias en la mandibulas ya segmentadas (el color azul muestra el postoperatorio de la segunda mandibula y el color gris indica el postoperatorio de la primera mandíbula).

Los puntos de referencia se seleccionaron en la superficie de los modelos 3D claramente visibles y no variables. Es mejor elegir ubicaciones bien definidas y fácilmente reproducibles para los puntos de referencia, por ejemplo, estructuras óseas afiladas, canales óseos o placas de titanio. Los resultados de la superposición basada en hitos se presentan en la figura 4.

Fig 4. Superposición postquirúrgica de ambas mandíbulas.

El resultado del método de superposición basado en puntos de referencia no es exacto. La posición espacial de la segunda mandíbula postoperatoria no es la misma en comparación con la primera posición de la mandíbula postoperatoria. El motivo es que el software calcula la mejor coincidencia entre los pares de puntos de referencia y no tiene en cuenta las superficies 3D en sí mismas. Debido a esto, posteriormente utilizamos el método de superposición basado en la superficie, donde el software aplicó algoritmos matemáticos para aproximar las superficies de dos mandíbulas en la mejor correspondencia. Los resultados de la superposición basada en la superficie se presentan en la figura 5.

Fig 5. El resultado de la superposición de modelos de las mandíbulas en 3D.

La posición de la segunda mandíbula postoperatoria se superpone simétricamente a la mandíbula inicial.

El método de superposición basado en el vóxel fue el segundo método básico de superposición en nuestra investigación. Utilizamos las mismas siete series de datos postoperatorios. Un método de superposición basado en el vóxel completamente automatizado fue realizado usando el software 3D Slicer. Este método de superposición utilizó la segmentación de estructuras anatómicas no variables como una máscara para la región de referencia. En primer lugar se construyó la superficie de la parte superior de la mandíbula (color amarillo) para el primer y segundo conjunto de datos en el software ITK-SNAP. Esta área fue la región de referencia para todos los casos (Fig. 6).

Fig. 6. Región de referencia para la superposición basada en voxel.

Es muy importante para la región de referencia que el área elegida no esté sujeta a cambios durante la cirugía. Las ramas mandibulares y cóndilos se extrajeron y exportaron como archivos STL (Fig. 7) en el software ITK-SNAP.

Fig 7. Las ramas mandibulares y condilos (la primera mandíbula postoperatoria en el lado izquierdo, la segunda mandíbula postoperatoria en el lado derecho) extraídas en el software ITK-SNAP.

Las partes de la mandíbula extraídas se importaron al software 3D Slicer y se realizó la superposición de las partes superiores y las imágenes CBCT. El proceso de superposición dio como resultado la reorientación de las imágenes CBCT, y luego las imágenes CBCT reorientadas se exportaron e importaron al software ITK-SNAP para la segmentación. Los resultados de la superposición basada en voxel se presentan en la Figura 8.

Fig. 8. Los resultados de la superposición basada en voxel (el color blanco indica la primera mandíbula postoperatoria, el color gris indica la segunda mandíbula postoperatoria).

La posición espacial de la segunda mandíbula postoperatoria difiere de la primera mandíbula postoperatoria. El lado derecho de la segunda mandíbula postoperatoria se proyecta más en comparación con la primera mandíbula (A, C). La superposición de transparencia de las mandíbulas postoperatorias 3D superpuestas con diferentes métodos se presenta en la Figura 9.

Fig. 9. Figura bidimensional que muestra los resultados de los diferentes métodos de superposición en las mandíbulas postoperatorias inicial y segunda.

En la Figura 10 se presentan los mapas de distancia de superficie de punto cerrado con código de color. Los mapas están cuantificando el desplazamiento relativo de la segunda mandíbula con respecto a la primera.

Fig. 10. Figura bidimensional que muestra los resultados de los diferentes métodos de superposición en las mandíbulas postoperatorias inicial y segunda.

Resultados

La distancia media entre las superficies superpuestas calculada a partir de los siete casos fue de 0,7 mm (SD = 0,07 mm) en el grupo de métodos de hito y segmentación. La distancia media entre las superficies superpuestas en el grupo de método basado en voxel fue de 0,9 mm (SD = 0,6 mm).

Conclusión

los resultados mostraron que la combinación de los métodos basados en puntos de referencia y en la segmentación es más eficiente para evaluar el cambio en la morfología de las partes pequeñas del cuerpo, como las mandíbulas postoperatorias, en comparación con el método basado en el vóxel. La combinación de los métodos basados en puntos de referencia y en la segmentación tiene algunas ventajas en comparación con el método basado en el vóxel. Las ventajas son las siguientes: el método de combinación es bastante rápido, tiene una interfaz de software fácil de usar, y el aspecto más significativo - es más preciso en nuestras manos. La posición de las mandíbulas puede ser diferente para cada procedimiento de CBCT. Durante la realización del procedimiento CBCT, es prácticamente imposible asegurar que la posición de las mandíbulas sea idealmente la misma con respecto al maxilar debido al cambio continuo de oclusión después de la cirugía. Debido a esto, no podemos elegir la región de la base del cráneo, la frente, los arcos cigomáticos izquierdo y derecho en el método basado en vóxeles como regiones de referencia porque en todos los casos se cometerán errores de alineación. Parece que la parte no operada de la mandíbula es demasiado pequeña para asegurar una superposición precisa de la mandíbula basada en el vóxel y pueden ocurrir inexactitudes. Se obtuvieron resultados similares de superposición en todos los casos.