BR102015029037B1 - PHYSICAL THREE-DIMENSIONAL MODELS AND METHOD FOR THE CONSTRUCTION OF THEM - Google Patents
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Abstract
Método para construção de modelos tridimensionais físicos de dentes Modelos tridimensionais físicos de dentes e método para construção dos mesmos. A presente invenção refere-se a um método para a construção de modelos tridimensionais físicos de dentes humanos, utilizando imagens geradas a partir de microtomografia computadorizada e equipamentos de prototipagem rápida.Method for building three-dimensional physical models of teeth Physical three-dimensional models of teeth and method for building them. The present invention relates to a method for building three-dimensional physical models of human teeth, using images generated from computed microtomography and rapid prototyping equipment.
Description
[0001] A presente invenção está compreendida nos campos da construção de moldes 3D e para uso em odontologia. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a modelos tridimensionais físicos de dentes e a um método para a construção de modelos tridimensionais físicos de dentes humanos extraídos, utilizando imagens geradas a partir de microtomografia computadorizada (IJTC).[0001] The present invention is comprised in the fields of 3D mold construction and for use in dentistry. More specifically, the present invention relates to three-dimensional physical models of teeth and a method for constructing three-dimensional physical models of extracted human teeth using images generated from computed microtomography (IJTC).
[0002] A presente invenção refere-se a um método para a construção de modelos tridimensionais físicos de dentes humanos extraídos, utilizando imagens geradas a partir de microtomografia computadorizada (IJTC), além da possível inserção de "elementos virtuais adicionais", modelados em softwares específicos. Após a manipulação, as imagens são enviadas para equipamentos de prototipagem rápida, objetivando reproduzir com fidelidade dimensional os dentes humanos em materiais sintéticos ou biológicos, tendo como finalidade a utilização para a simulação de protocolos de procedimentos odontológicos, e o desenvolvimento de pesquisas científicas na área da Odontologia, Microbiologia e Metalurgia.[0002] The present invention relates to a method for building three-dimensional physical models of extracted human teeth, using images generated from computed microtomography (IJTC), in addition to the possible insertion of "additional virtual elements", modeled in software specific. After manipulation, the images are sent to rapid prototyping equipment, aiming to reproduce human teeth in synthetic or biological materials with dimensional fidelity, with the purpose of using them for simulating dental procedure protocols, and the development of scientific research in the area. Dentistry, Microbiology and Metallurgy.
[0003] Em odontologia, ortodontia, prótese e dentística, o uso de modelos é fundamental. A possibilidade de digitalizar os modelos de gesso, ou mesmo de escanear os dentes diretamente da boca do paciente, sempre foi uma busca da Odontologia, tanto para evitar desconforto, como para agilizar o trabalho, melhorar a comunicação entre colegas e com os laboratórios de prótese, e reduzir os espaços físicos necessários para o arquivamento desses modelos.[0003] In dentistry, orthodontics, prosthesis and dentistry, the use of models is fundamental. The possibility of digitizing the plaster models, or even scanning the teeth directly from the patient's mouth, has always been a quest in dentistry, both to avoid discomfort and to speed up work and improve communication between colleagues and with prosthetic laboratories. , and reduce the physical spaces required for archiving these models.
[0004] A aquisição de uma cópia de um dente ou vários dentes, de dentes íntegros adjacentes e antagonistas, e o estabelecimento de uma relação correta, assim como a conversão dessa informação em réplicas precisas da dentição, são os objetivos principais do processo de moldagem na Odontologia Restauradora.[0004] The acquisition of a copy of a tooth or several teeth, of intact adjacent and opposing teeth, and the establishment of a correct relationship, as well as the conversion of this information into accurate replicas of the dentition, are the main objectives of the molding process in Restorative Dentistry.
[0005] As técnicas utilizadas atualmente para obter moldagens com elastômeros e criar modelos de gesso a partir delas estão em uso desde 1937 {Dent Dig. 1937;43:230-4). O primeiro material elastomérico especificamente produzido para uso em Odontologia foi o Impregum, de 1965, um material tipo poliéter, da empresa ESPE.[0005] The techniques currently used to take impressions with elastomers and create plaster models from them have been in use since 1937 {Dent Dig. 1937;43:230-4). The first elastomeric material specifically produced for use in Dentistry was Impregum, from 1965, a polyether type material, from the company ESPE.
[0006] Os sistemas digitais de moldagem e escaneamento em Odontologia foram introduzidos na metade dos anos 80, e têm evoluído tanto que artigos já previam que, em 2015, a maioria dos dentistas nos EUA e Europa estaria usando scanners digitais para moldagens {Inside Dentistry. 2009:5(4)). Ma Ortodontia, as moldagens digitais têm sido usadas com sucesso por vários anos, em sistemas como o Cadent lOC/OrthoCAD, Dentsply/ GAC OrthoPlex, Stratos/Orametrix SureSmile, e EMS RapidForm. Os sistemas CAD/CAM (Computer Aided Design e Computer Aided Manufacture), disponíveis atualmente, são capazes de alimentar dados obtidos através de escaneamentos digitais precisos feitos de modelos de gesso diretamente para sistemas de confecção capazes de esculpir restaurações em blocos de cerâmica ou resina, sem a necessidade de uma cópia física dos dentes preparados, dentes adjacentes e dentes antagonistas.[0006] Digital impression and scanning systems in Dentistry were introduced in the mid-1980s, and have evolved so much that articles already predicted that, by 2015, most dentists in the US and Europe would be using digital scanners for impressions {Inside Dentistry . 2009:5(4)). In orthodontics, digital impressions have been used successfully for several years in systems such as Cadent IOC/OrthoCAD, Dentsply/GAC OrthoPlex, Stratos/Orametrix SureSmile, and EMS RapidForm. Currently available CAD/CAM (Computer Aided Design and Computer Aided Manufacture) systems are capable of feeding data obtained through precise digital scans made from plaster models directly to fabrication systems capable of sculpting restorations in ceramic or resin blocks, without the need for a physical copy of the prepared teeth, adjacent teeth and antagonist teeth.
[0007] O pedido de patente BR0809900-6, de titularidade do Instituto Nacional de Tecnologia (INT), descreve um método para construção de modelos tridimensionais físicos, porém o modelo proposto é o de fetos. O pedido de patente BR0809900-6 utiliza arquivos de exames médicos de Ressonância Magnética e Tomografia Computadorizada, os quais são prototipados em tecnologia de Prototipagem Rápida, objetivando reproduzir com fidelidade dimensional, fetos para fins de avaliação medica e/ou pessoal. O processo é realizado através da obtenção de arquivos no formato DICOM, em cortes sequenciais de imagem, preferencial mente no eixo sagital. As áreas a serem construídas devem ser selecionadas podendo ser órgãos internos e/ou superficies externas. No caso da Ressonância Magnética, o contorno individual das áreas de interesse se faz necessário. Na Tomografia computadorizada, o modelo virtual é concebido a partir de uma diferenciação por contraste de imagem (Threshoulding) indicada pela opacidade do tecido quanto à passagem dos raios X.[0007] The patent application BR0809900-6, owned by the National Institute of Technology (INT), describes a method for building three-dimensional physical models, but the proposed model is that of fetuses. The patent application BR0809900-6 uses files of medical examinations of Magnetic Resonance and Computed Tomography, which are prototyped in Rapid Prototyping technology, aiming to reproduce, with dimensional fidelity, fetuses for medical and/or personal evaluation purposes. The process is carried out by obtaining files in DICOM format, in sequential image slices, preferably in the sagittal axis. The areas to be built must be selected and can be internal organs and/or external surfaces. In the case of Magnetic Resonance, the individual outline of the areas of interest is necessary. In computed tomography, the virtual model is conceived from a differentiation by image contrast (Threshoulding) indicated by the opacity of the tissue regarding the passage of X-rays.
[0008] O pedido de patente WO/2013/120478 descreve o uso de um scanner de tomografia de volume Hounsfield calibrado para gerar um conjunto de dados 3D de uma estrutura anatômica da boca e/ou mandíbula e uma seleção subsequente dos dados desejados para produzir uma prótese, um modelo ou um design da estrutura.[0008] The patent application WO/2013/120478 describes the use of a calibrated Hounsfield volume tomography scanner to generate a 3D dataset of an anatomical structure of the mouth and/or jaw and a subsequent selection of the desired data to produce a prosthesis, a model or a design of the framework.
[0009] O documento EP0966927 descreve um método e dispositivo para produzir artigos médicos, em particular próteses dentárias. O dispositivo tem uma câmara, um aparelho de raios-X, ultrassom e um captador de tomografia por computador para medir as dimensões das partes a serem substituídas.[0009] EP0966927 describes a method and device for producing medical articles, in particular dental prostheses. The device has a camera, an X-ray machine, ultrasound and a computer tomography scanner to measure the dimensions of the parts to be replaced.
[00010] Os modelos tridimensionais, além de utilizados em projetos de pesquisa ou protótipos de equipamentos, também podem ser úteis para melhorar o ensino, no que se refere aos aspectos didáticos, pois permitem reproduzir com exatidão a anatomia dentária, principalmente a interna, permitindo que estudantes de graduação, pós-graduação e profissionais da Odontologia treinem diferentes protocolos de tratamento, em iguais condições de competitividade. Há um produto no mercado, chamado de TrueTooth, que faz moldes em 3D, entretanto essa tecnologia permite apenas impressão em material sintético e não permite a inserção de elementos virtuais gerados por software, tais como simulação de calcificações, perfurações, reabsorções externas, reabsorções internas, reabsorção apical, desvios no trajeto dos canais radiculares e instrumentos endodônticos fraturados.[00010] Three-dimensional models, in addition to being used in research projects or equipment prototypes, can also be useful to improve teaching, with regard to didactic aspects, as they allow the exact reproduction of dental anatomy, especially the internal one, allowing that undergraduate and graduate students and dentistry professionals train different treatment protocols, under equal competitive conditions. There is a product on the market, called TrueTooth, which makes 3D molds, however this technology only allows printing on synthetic material and does not allow the insertion of virtual elements generated by software, such as simulation of calcifications, perforations, external resorptions, internal resorptions , apical resorption, deviations in the path of root canals and fractured endodontic instruments.
[00011] A Figura 01 apresenta a representação gráfica do dente antes da inserção de elementos virtuais e antes da correção da modelagem por computador.[00011] Figure 01 shows the graphic representation of the tooth before the insertion of virtual elements and before the computer modeling correction.
[00012] A Figura 02 apresenta a representação gráfica do dente após a correção da modelagem por computador.[00012] Figure 02 shows the graphic representation of the tooth after computer modeling correction.
[00013] A presente invenção refere-se a um método para a construção de modelos tridimensionais físicos de dentes humanos extraídos, utilizando imagens de dentes reais geradas a partir do escaneamento microtomográfico, além da possível inserção de elementos virtuais adicionais, modelados em softwares específicos, que após reconstrução bidimensional ou tridimensional com programas computacionais, são enviados para os equipamentos de prototipagem rápida (Stereolitografia, FOM, Zcorp, Objet, Formiga PI 10, EnvisionTEC 3D, Bioplotter® ou FAB@Home e outras marcas associadas com esta tecnologia), objetivando reproduzir, com fidelidade morfológica e geométrica, dentes humanos em materiais sintéticos ou biológicos, para treinamento didático e pesquisa científica.[00013] The present invention relates to a method for building three-dimensional physical models of extracted human teeth, using images of real teeth generated from microtomographic scanning, in addition to the possible insertion of additional virtual elements, modeled in specific software, which, after two-dimensional or three-dimensional reconstruction with computer programs, are sent to rapid prototyping equipment (Stereolithography, FOM, Zcorp, Objet, Formiga PI 10, EnvisionTEC 3D, Bioplotter® or FAB@Home and other brands associated with this technology), aiming to reproduce, with morphological and geometric fidelity, human teeth in synthetic or biological materials, for didactic training and scientific research.
[00014] A microtomografia computadorizada (1-lTC) é a técnica radiográfíca volumétrica de alta resolução, utilizada apenas para amostras inanimadas ou ex vivo. A radiação X é produzida artificialmente por meio da aceleração de elétrons contra um material metálico de alto número atômico. O resultado é uma radiação eletromagnética caracterizada por alta frequência, pequeno comprimento de onda e alto poder de penetração.[00014] Computed microtomography (1-lTC) is a high-resolution volumetric radiographic technique, used only for inanimate or ex vivo samples. X-radiation is artificially produced by accelerating electrons against a metallic material with a high atomic number. The result is electromagnetic radiation characterized by high frequency, short wavelength and high penetrating power.
[00015] Os sistemas de microtomografia computadorizada (1-LTC) têm estado disponíveis comercialmente há mais de duas décadas. Semelhante, em princípio, à tomografia computadorizada médica, o funcionamento da 1- LTC se dá através da captação de dados adquiridos em diversos ângulos de visualização, a partir da atenuação de raios-X, para reconstruir em duas ou três dimensões a imagem da amostra a ser analisada (J. Bone Miner. Res., Washington, (7)1468-1486, 2010). A resolução das I-LTC é dada em micron. As amostras normalmente variam de poucos milímetros a alguns centímetros de tamanho. A I-LTC pode ser classificada quanto à fonte de raios-X em dois tipos: radiação Síncrotron e I-LTC de laboratório com Micro/Nano foco de raios-X. A radiação síncrotron é gerada a partir de um anel de armazenamento de elétrons e pode ser monocromática, tendo um comprimento de onda específico. Portanto, diferentes elementos podem ser distinguidos de acordo com seu número atômico (J R Soe Interface (7) 4959, 2010).[00015] Computed microtomography (1-LTC) systems have been commercially available for over two decades. Similar, in principle, to medical computed tomography, the 1-LTC works by capturing data acquired at different viewing angles, based on the attenuation of X-rays, to reconstruct the sample image in two or three dimensions. to be analyzed (J. Bone Miner. Res., Washington, (7)1468-1486, 2010). The resolution of I-LTC is given in microns. Samples typically range from a few millimeters to a few centimeters in size. I-LTC can be classified according to the X-ray source into two types: Synchrotron radiation and laboratory I-LTC with Micro/Nano X-ray focus. Synchrotron radiation is generated from an electron storage ring and can be monochromatic, having a specific wavelength. Therefore, different elements can be distinguished according to their atomic number (J R Soe Interface (7) 4959, 2010).
[00016] A técnica de prototipagem rápida (PR) surgiu ao final dos anos 80, possibilitando que um desenho tridimensional virtual concebido em computador pudesse ser construído em meio físico com rapidez. Trata-se de uma tecnologia para construir modelos e protótipos tridimensionais utilizando arquivos gerados em softwares de modelagem tridimensional (CAO - computer-aided design e CAM - computer-aided manufacturing), ou obtidos através de scanners tridimensionais a laser e digitalizadores de contato, ou ainda a partir de arquivos obtidos em equipamentos de I-LTC.[00016] The rapid prototyping (RP) technique emerged at the end of the 1980s, allowing a virtual three-dimensional design conceived on a computer to be quickly built in physical media. It is a technology to build three-dimensional models and prototypes using files generated in three-dimensional modeling software (CAO - computer-aided design and CAM - computer-aided manufacturing), or obtained through three-dimensional laser scanners and contact digitizers, or still from files obtained in I-LTC equipment.
[00017] O processo é realizado através da transferência do arquivo tridimensional virtual gerado em superfícies e sólidos, para o equipamento de prototipagem rápida (PR), no qual o sistema passará a construir os modelos através da superposição de camadas milimétricas de matérias- primas variadas, conforme a tecnologia selecionada.[00017] The process is carried out by transferring the virtual three-dimensional file generated in surfaces and solids, to the rapid prototyping equipment (PR), in which the system will build the models through the superimposition of millimeter layers of varied raw materials , depending on the selected technology.
[00018] No que se refere à presente invenção, os modelos dentários obtidos têm como finalidades a aplicação no ensino e na pesquisa científica e no diagnóstico para tratamentos. No ensino, os modelos podem ser utilizados para melhorar os aspectos didáticos, pois reproduzirão com exatidão a anatomia dentária, principalmente a interna, permitindo que estudantes de graduação, pós-graduação e profissionais da Odontologia treinem diferentes protocolos de tratamento, em iguais condições de competitividade.[00018] With regard to the present invention, the dental models obtained are intended for application in teaching and scientific research and in diagnosis for treatments. In teaching, the models can be used to improve the didactic aspects, as they will accurately reproduce the dental anatomy, mainly the internal one, allowing undergraduate and graduate students and dentistry professionals to train different treatment protocols, under equal competitive conditions. .
[00019] Modelos dentários produzidos com diferentes níveis de dificuldade, relacionados aos aspectos anatômicos, como número de canais radiculares, suas curvaturas e a possível inserção de elementos virtuais gerados por software (simulação de calcificações, perfurações, reabsorções externas, reabsorções internas, reabsorção apical, desvios no trajeto dos canais radiculares e instrumentos endodônticos fraturados) podem otimizar o processo de ensino e pesquisa e o processo de diagnóstico e produção de próteses. Quanto à aplicação na pesquisa científica, os modelos dentários podem ser utilizados para avaliar o comportamento mecânico de instrumentos odontológicos cortantes, como aqueles utilizados no preparo mecânico dos canais radiculares, colaborando na padronização dos ensaios mecânicos, tornando-os mais próximos da realidade clinica.[00019] Dental models produced with different levels of difficulty, related to anatomical aspects, such as the number of root canals, their curvatures and the possible insertion of virtual elements generated by software (simulation of calcifications, perforations, external resorption, internal resorption, apical resorption , deviations in the path of root canals and fractured endodontic instruments) can optimize the teaching and research process and the process of diagnosis and production of prostheses. As for the application in scientific research, dental models can be used to evaluate the mechanical behavior of sharp dental instruments, such as those used in the mechanical preparation of root canals, collaborating in the standardization of mechanical tests, making them closer to clinical reality.
[00020] Quando impressos em materiais biológicos, também podem ser utilizados para pesquisas científicas na área de Microbiologia (biofilmes microbianos).[00020] When printed on biological materials, they can also be used for scientific research in the area of Microbiology (microbial biofilms).
[00021] Além das finalidades mencionadas, destaca-se a óbvia contribuição desta invenção com a questão ética na Odontologia, referente à utilização de dentes humanos para treinamento pré-clínico e pesquisa científica.[00021] In addition to the aforementioned purposes, the obvious contribution of this invention to the ethical issue in Dentistry, regarding the use of human teeth for preclinical training and scientific research, stands out.
[00022] Os modelos sào impressos a partir dos 14 tipos de dentes humanos relacionados abaixo. Ressalta-se que, a caracterização abaixo, se refere apenas ao comprimento e número de raízes, uma vez que a anatomia interna e o volume sào extremamente variáveis e podem ser complementados com os "elementos virtuais" gerados por software: Incisivo central superior com comprimento entre 19 mm e 24 mm, com uma raiz; Incisivo lateral superior com comprimento entre 18 mm e 25 mm, com uma raiz; Canino superior com comprimento entre 18 mm e 30 mm, com uma raiz; Primeiro pré-molar superior com comprimento entre 18 mm e 24 mm, com uma ou duas raízes; Segundo pré-molar superior com comprimento entre 18 mm e 24 mm, com uma ou duas raízes, fusionadas ou diferenciadas; Primeiro molar superior com comprimento entre 11 mm e 24 mm, com 3 raízes, fusionadas ou diferenciadas; Segundo molar superior com comprimento entre 17 mm e 25 mm, com 3 raízes fusionadas ou diferenciadas; incisivo central inferior com comprimento entre 15 mm e 23 mm, com uma raiz; Incisivo lateral inferior com comprimento entre 15 mm e 24 mm, com uma raiz; Canino inferior com comprimento entre 16 mm e 28 mm, com uma ou duas raízes; Primeiro pré-molar inferior com comprimento entre 17 mm e 24 mm, com uma ou duas raízes; Segundo pré-molar inferior com comprimento entre 17 mm e 25 mm, com uma ou duas raízes; Primeiro molar inferior com comprimento entre 17 mm e 24 mm, com uma, duas ou três raízes fusionadas ou diferenciadas; Segundo molar inferior com comprimento entre 17 mm e 25 mm. com uma, duas ou três raízes fusionadas ou diferenciadas. Após a realização da microtomografia computadorizada e obtenção dos arquivos 3D, estes sào exportados para um software que faz o alisamento da superfície, uma vez que a composição do esmalte e da dentina torna a superfície reflexiva. Opcionalmente, pode ocorrer a complementação da imagem com "elementos virtuais adicionais", tais como simulação de calcificações, perfurações, reabsorções externas, reabsorções internas, reabsorção apical, desvios no trajeto dos canais radiculares e instrumentos endodônticos fraturados).[00022] The models are printed from the 14 types of human teeth listed below. It should be noted that the characterization below refers only to the length and number of roots, since the internal anatomy and the volume are extremely variable and can be complemented with "virtual elements" generated by software: Upper central incisor with length between 19 mm and 24 mm, with one root; Upper lateral incisor between 18 mm and 25 mm in length, with one root; Upper canine between 18 mm and 30 mm in length, with one root; Maxillary first premolar between 18 mm and 24 mm in length, with one or two roots; Upper second premolar with a length between 18 mm and 24 mm, with one or two roots, fused or differentiated; Upper first molar with a length between 11 mm and 24 mm, with 3 roots, fused or differentiated; Upper second molar with a length between 17 mm and 25 mm, with 3 fused or differentiated roots; lower central incisor between 15 mm and 23 mm in length, with one root; Lower lateral incisor between 15 mm and 24 mm in length, with one root; Lower canine with a length between 16 mm and 28 mm, with one or two roots; Lower first premolar between 17 mm and 24 mm in length, with one or two roots; Lower second premolar with a length between 17 mm and 25 mm, with one or two roots; Lower first molar with a length between 17 mm and 24 mm, with one, two or three fused or differentiated roots; Lower second molar with a length between 17 mm and 25 mm. with one, two or three fused or differentiated roots. After carrying out the computed microtomography and obtaining the 3D files, these are exported to a software that smoothes the surface, since the composition of enamel and dentin makes the surface reflective. Optionally, the image can be complemented with "additional virtual elements", such as simulation of calcifications, perforations, external resorptions, internal resorptions, apical resorption, deviations in the path of root canals and fractured endodontic instruments).
[00023] O modelo tridimensional virtual resultante é transformado em uma extensão STL ou outras para ser enviado a equipamentos de prototipagem rápida (Stereolitografia, FOM, Zcorp, Objet, Formiga Pl 1 0, EnvisionTEC 3D Bioplotter® ou FAB@Home e outras marcas associadas com esta tecnologia), onde será feita a construção do modelo físico.[00023] The resulting virtual three-dimensional model is transformed into an STL extension or others to be sent to rapid prototyping equipment (Stereolithography, FOM, Zcorp, Objet, Formiga Pl 1 0, EnvisionTEC 3D Bioplotter® or FAB@Home and other associated brands with this technology), where the physical model will be built.
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