DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-05395-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39736564
تاريخ النشر: 2024-12-30
المؤلف: Yusong Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأشعة السينية السنية والتصوير
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير أحجام الفوكسل وإعدادات العتبة على دقة إعادة بناء الأسنان باستخدام التصوير المقطعي المحوسب باستخدام شعاع المخروط (CBCT) وفعالية نماذج دمج CBCT والمسح داخل الفم (IOS) باستخدام خوارزميات استمرارية الانحناء. تم رقمنة اثنين وثلاثين سناً معزولة باستخدام كل من IOS وCBCT عند حجمين مختلفين من الفوكسل وخمسة إعدادات للعتبة. تم تقييم دقة النماذج المعاد بناؤها من خلال مقارنة الحجم، ومساحة السطح، وعرض التاج مقابل نماذج المسح بالليزر، مع حساب خطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMS). تم استخدام تحليلات إحصائية، بما في ذلك اختبارات ويلكوكسون ذات الرتبة الموقعة وتحليل التباين أحادي الاتجاه، لتقييم البيانات.
تشير النتائج إلى أن أخطاء تضخيم الحجم لـ CBCT مع أحجام فوكسل تبلغ 0.15 مم و0.3 مم تراوحت بين 1.22% إلى 19.07%، بينما تراوحت أخطاء مساحة السطح بين 0.18% إلى 7.78%. ومن الجدير بالذكر أن دمج التاج والجذر باستخدام بيانات IOS وCBCT قلل بشكل كبير من أخطاء الحجم إلى ما بين -0.90% و5.10%، وأخطاء مساحة السطح إلى -0.66% إلى 4.15%، وأخطاء RMS إلى 0.0359 مم إلى 0.0945 مم. تستنتج الدراسة أن أحجام الفوكسل الأصغر تعزز دقة إعادة البناء، وأن عتبات التقسيم المثلى تختلف عبر مناطق الأسنان. تحسن خوارزمية دمج التاج والجذر شبه الآلية المعتمدة بشكل ملحوظ من دقة النموذج، مما يشير إلى تطبيقات سريرية واعدة. يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى تحسين خوارزميات الدمج التلقائي والتحقق من أدائها مع عينات سريرية أكبر لتعزيز تكنولوجيا التصوير ثلاثي الأبعاد في طب الأسنان.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية التصوير المقطعي المحوسب باستخدام شعاع المخروط (CBCT) في تصوير الأسنان، مع تسليط الضوء على مزاياه مثل التعرض المنخفض للإشعاع، والمسح السريع، والدقة المكانية العالية. تعتبر دقة النماذج ثلاثية الأبعاد المولدة من CBCT أمرًا حيويًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات السنية، بما في ذلك التخطيط التقويمي وتقييم قنوات الجذر. ومع ذلك، فإن دقة هذه النماذج تتأثر بعوامل خلال كل من مراحل جمع البيانات وإعادة البناء، وخاصة حجم الفوكسل وإعدادات العتبة. ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على المراحل الفردية، متجاهلة التأثيرات المجمعة لهذه المعلمات، مما قد يؤدي إلى أخطاء قياس ونتائج متحيزة.
تحدد الورقة فجوتين رئيسيتين في البحث: الحاجة إلى استكشاف تأثير حجم الفوكسل وإعدادات العتبة على دقة إعادة بناء الأسنان باستخدام CBCT، وتقييم النماذج المدمجة المشتقة من بيانات CBCT والمسح داخل الفم (IOS). يشير المؤلفون إلى أنه بينما يمكن لتقنية IOS تحسين دقة صور تاج الأسنان، لا تزال هناك تحديات في دمج هذه النماذج بدقة بسبب اختلافات في جودة البيانات. تهدف الدراسة إلى توفير أساس أكثر موضوعية لاختيار العتبات السريرية من خلال مقارنة دقة النماذج المعاد بناؤها مع مراجع مسح بالليزر عالية الدقة. بالإضافة إلى ذلك، تسعى إلى التحقق من صحة طريقة دمج التاج والجذر متعددة الأنماط شبه الآلية، مما يسهم في تحسين موثوقية بيانات التصوير في الممارسة السنية السريرية.
الطرق
استخدمت الدراسة تصميمًا خارج الجسم وحصلت على موافقة أخلاقية من لجنة الأخلاقيات في مستشفى طب الأسنان، جامعة شاندونغ. تم تقديم مخطط تدفق يوضح منهجية الدراسة في الشكل 1. تم تحديد حجم العينة بناءً على عمل Ye N وآخرين، باستخدام برنامج G*power (الإصدار 3.1) لأخذ أخطاء التكبير بنسبة 20% لأحجام فوكسل 0.125 مم و40% لأحجام فوكسل 0.3 مم، مما أدى إلى حساب الحد الأدنى لحجم العينة بـ 21 سنًا عند قوة 80% ومستوى دلالة (α) قدره 5%.
تم الحصول على ما مجموعه 38 سنًا مستخرجًا من متبرعين من جثث في قسم التشريح وعلم الأعصاب، كلية العلوم الطبية الأساسية، جامعة شاندونغ. بعد استبعاد الأسنان التي تعاني من تآكل كبير، أو تسوس، أو عيوب في التاج، أو كسور في الجذر، أو ترميمات، تم تضمين 32 سنًا في التحليل. تتكون هذه العينة النهائية من 10 قواطع مركزية وجانبية، و6 أنياب، و11 ضواحك، و5 طواحين.
النتائج
تشير النتائج إلى أن عتبات وحدة هونسفيلد (HU) للماء والهواء كانت مقاسة عند 56.84 ± 13.17 و-990.19 ± 4.99، على التوالي، مما يتماشى بشكل وثيق مع قيم التصوير المقطعي التقليدي (CT) (الماء = 0 HU؛ الهواء = -1000 HU). تم تحديد حجم و مساحة السطح لنموذج السن الممسوح بالليزر ليكون 502.21 مم³ و416.90 مم²، على التوالي. كشفت المقارنات بين النموذج الممسوح بالليزر والنماذج المعاد بناؤها باستخدام التصوير المقطعي المحوسب باستخدام شعاع المخروط (CBCT) عن اختلافات في الحجم تتراوح بين 5.97 إلى 91.31 مم³ (1.22% إلى 19.07%) واختلافات في مساحة السطح من -0.82 إلى 32.36 مم² (-0.18% إلى 7.78%). ومن الجدير بالذكر أن عتبة التقسيم الموصى بها “1200” في برنامج Mimics أدت إلى أخطاء تضخيم قدرها 6.25% و12.78% للحجم عند أحجام فوكسل 0.15 مم و0.3 مم، على التوالي.
بعد دمج التاج والجذر لنماذج CBCT والمسح داخل الفم (IOS) باستخدام خوارزمية استمرارية قائمة على الانحناء، تم تقليل اختلافات الحجم إلى -4.15 إلى 42.82 مم³ (-0.90% إلى 8.77%) واختلافات مساحة السطح إلى -2.71 إلى 16.52 مم² (-0.66% إلى 4.15%). أظهرت التحليلات أن الاختلافات في الحجم ومساحة السطح زادت مع أحجام الفوكسل الأكبر وانخفضت مع العتبات الأعلى. ومع ذلك، لوحظت انحرافات كبيرة في الحجم في مجموعة CBCT مع كل زيادة قدرها 200 في العتبة (P < 0.05)، بينما أظهرت مجموعة دمج التاج والجذر انحرافات كبيرة فقط عند كل زيادة قدرها 400 في العتبة. أشارت المقارنات بين المجموعات إلى عدم وجود اختلافات ذات دلالة إحصائية في الحجم (P = 0.07) ومساحة السطح (P = 1) لشرط الفوكسل 0.15 مم وعتبة 1600، مع تحقيق دمج التاج والجذر لأخطاء نموذج أصغر من إعادة بناء CBCT لأحجام فوكسل أخرى وعتبات متطابقة (P < 0.05).
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون تأثيرات حجم الفوكسل واختيار العتبة على دقة إعادة بناء نماذج الأسنان باستخدام التصوير المقطعي المحوسب باستخدام شعاع المخروط (CBCT)، مقارنةً بهذه النماذج مع النماذج الممسوحة بالليزر كمعيار مرجعي. باستخدام مزيج من CBCT والمسح الضوئي داخل الفم (IOS)، استخدم الباحثون خوارزمية خياطة قائمة على الانحناء لتحقيق دمج التاج والجذر، مما قلل بشكل كبير من أخطاء إعادة البناء. أشارت النتائج إلى أن أحجام الفوكسل الأصغر (0.15 مم) أدت إلى دقة أعلى وتحسين في الدقة، بينما كانت إعدادات العتبة المثلى حاسمة لتقليل الأخطاء، خاصة في منطقة التاج. أثبتت الدراسة أن العتبة العالمية غير كافية لنمذجة الأسنان بدقة، داعيةً إلى تعديلات عتبة مخصصة بناءً على هياكل الأسنان المحددة.
أظهرت النتائج أن الأخطاء الخطية في قياسات التاج والجذر تأثرت بشكل كبير بكل من حجم الفوكسل وقيم العتبة، حيث أدت الفوكسلات الأصغر والعتبات الأعلى إلى تقليل عدم الدقة. أشار المؤلفون إلى أنه بينما كانت العتبة الموصى بها 1200 وحدة هونسفيلد (HU) من قبل برنامج Mimics مستخدمة بشكل شائع، فإن نتائجهم اقترحت أن العتبات 1600 HU لأحجام فوكسل 0.3 مم و1400 HU لأحجام فوكسل 0.15 مم كانت أكثر فعالية لتحقيق إعادة بناء دقيقة. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى النظر بعناية في هذه المعلمات في الممارسة السريرية لتجنب المضاعفات المحتملة في ترميمات الأسنان والعلاجات. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التحقق من صحة هذه النتائج في الجسم الحي وتطوير خوارزميات دمج تلقائية لتعزيز كفاءة تكنولوجيا التصوير السني.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-05395-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39736564
Publication Date: 2024-12-30
Author(s): Yusong Zhang et al.
Primary Topic: Dental Radiography and Imaging
Overview
This study investigates the influence of voxel sizes and threshold settings on the accuracy of Conebeam computed tomography (CBCT) tooth reconstructions and the effectiveness of fused CBCT and intraoral scanning (IOS) models using curvature continuity algorithms. Thirty-two isolated teeth were digitized with both IOS and CBCT at two voxel sizes and five threshold settings. The accuracy of the reconstructed models was assessed by comparing volume, surface area, and crown width against laser scanning models, with root mean square (RMS) error calculated. Statistical analyses, including Wilcoxon signed-rank tests and one-way ANOVA, were employed to evaluate the data.
The findings indicate that volume amplification errors for CBCT with voxel sizes of 0.15 mm and 0.3 mm ranged from 1.22% to 19.07%, while surface area errors varied from 0.18% to 7.78%. Notably, crown-root fusion using IOS and CBCT data significantly reduced volume errors to between -0.90% and 5.10%, surface area errors to -0.66% to 4.15%, and RMS errors to 0.0359 mm to 0.0945 mm. The study concludes that smaller voxel sizes enhance reconstruction accuracy, and optimal segmentation thresholds differ across tooth regions. The validated semi-automated crown-root fusion algorithm markedly improves model accuracy, suggesting promising clinical applications. Future research should aim to refine automatic fusion algorithms and validate their performance with larger clinical samples to further advance dental 3D imaging technology.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of cone beam computed tomography (CBCT) in dental imaging, highlighting its advantages such as low radiation exposure, rapid scanning, and high spatial resolution. The accuracy of three-dimensional models generated from CBCT is crucial for various dental applications, including orthodontic planning and root canal assessment. However, the precision of these models is influenced by factors during both the data acquisition and reconstruction phases, particularly voxel size and threshold settings. Previous studies have primarily focused on individual phases, neglecting the combined effects of these parameters, which can lead to measurement errors and biased results.
The paper identifies two key research gaps: the need to explore the impact of voxel size and threshold settings on the accuracy of CBCT tooth reconstructions, and the evaluation of fused models derived from CBCT and intraoral scanning (IOS) data. The authors note that while IOS technology can enhance the resolution of tooth crown images, challenges remain in accurately fusing these models due to differences in data quality. The study aims to provide a more objective basis for clinical threshold selection by comparing the accuracy of reconstructed models with high-precision laser-scanned references. Additionally, it seeks to validate a semi-automated multimodal crown-root fusion method, thereby contributing to improved imaging data reliability in clinical dental practice.
Methods
The study employed an ex vivo design and received ethical approval from the Ethics Committee of Stomatological Hospital, Shandong University. A flowchart detailing the study’s methodology is presented in Figure 1. Sample size determination was based on the work of Ye N et al., utilizing G*power software (version 3.1) to account for magnification errors of 20% for 0.125 mm voxels and 40% for 0.3 mm voxels, leading to a calculated minimum sample size of 21 teeth at a power of 80% and a significance level (α) of 5%.
A total of 38 extracted teeth were sourced from cadaveric donors at the Department of Anatomy and Neurobiology, School of Basic Medical Sciences, Shandong University. After excluding teeth with significant wear, caries, crown defects, root fractures, or restorations, 32 teeth were ultimately included in the analysis. This final sample comprised 10 central and lateral incisors, 6 canines, 11 premolars, and 5 molars.
Results
The results indicate that the Hounsfield Unit (HU) thresholds for water and air were measured at 56.84 ± 13.17 and -990.19 ± 4.99, respectively, aligning closely with conventional computed tomography (CT) values (water = 0 HU; air = -1000 HU). The volume and surface area of the laser-scanned tooth model were determined to be 502.21 mm³ and 416.90 mm², respectively. Comparisons between the laser-scanned model and cone-beam computed tomography (CBCT) reconstructed models revealed volume differences ranging from 5.97 to 91.31 mm³ (1.22% to 19.07%) and surface area differences from -0.82 to 32.36 mm² (-0.18% to 7.78%). Notably, the recommended segmentation threshold of “1200” in Mimics software resulted in amplification errors of 6.25% and 12.78% for volume at voxel sizes of 0.15 mm and 0.3 mm, respectively.
Following crown-root fusion of the CBCT and intraoral scanning (IOS) models using a curvature-based continuum algorithm, the volume differences were reduced to -4.15 to 42.82 mm³ (-0.90% to 8.77%) and surface area differences to -2.71 to 16.52 mm² (-0.66% to 4.15%). The analysis showed that differences in volume and surface area increased with larger voxel sizes and decreased with higher thresholds. However, significant deviations in volume were observed in the CBCT group with every 200 threshold increase (P < 0.05), while the crown-root fusion group exhibited significant deviations only at every 400 threshold increase. Intergroup comparisons indicated no statistically significant differences in volume (P = 0.07) and surface area (P = 1) for the 0.15 mm voxel and 1600 threshold condition, with crown-root fusion yielding smaller model errors than CBCT reconstructions for other voxel sizes and identical thresholds (P < 0.05).
Discussion
In this study, the authors investigated the effects of voxel size and threshold selection on the accuracy of cone beam computed tomography (CBCT) reconstructions of tooth models, comparing these to laser-scanned models as a reference standard. Using a combination of CBCT and intraoral optical scanning (IOS), the researchers employed a curvature stitching algorithm to achieve crown-root fusion, which significantly reduced reconstruction errors. The findings indicated that smaller voxel sizes (0.15 mm) yielded higher spatial resolution and improved accuracy, while optimal threshold settings were crucial for minimizing errors, particularly in the crown region. The study established that a global threshold is inadequate for precise tooth modeling, advocating for tailored threshold adjustments based on specific tooth structures.
The results demonstrated that linear errors in crown and root measurements were significantly influenced by both voxel size and threshold values, with smaller voxels and higher thresholds leading to reduced inaccuracies. The authors noted that while the recommended threshold of 1200 Hounsfield units (HU) by Mimics software was commonly used, their findings suggested that thresholds of 1600 HU for 0.3 mm voxels and 1400 HU for 0.15 mm voxels were more effective for achieving accurate reconstructions. The study emphasizes the need for careful consideration of these parameters in clinical practice to avoid potential complications in dental restorations and treatments. Future research should focus on validating these findings in vivo and developing automated fusion algorithms to enhance the efficiency of dental imaging technologies.