PT108184B - Método para determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE NUM MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DA POSIÇÃO E ORIENTAÇÃO DE IMPLANTES DENTÁRIOS, ATRAVÉS DA COMBINAÇÃO DE UMA TÉCNICA DE IMAGIOLOGIA VOLUMÉTRICA (100 E 101) COM UM VOLUME SIMULADO DO MODELO 3D DO IMPLANTE (105) OBTIDO ATRAVÉS DE UMA TÉCNICA DE SIMULAÇÃO COMPUTORIZADA. MAIS ESPECIFICAMENTE, O MÉTODO CARACTERIZA-SE POR LOCALIZAR OS IMPLANTES NA IMAGEM DA MAXILA/MANDIBULA MANUAL OU AUTOMATICAMENTE (102); EXTRAIR O VOLUME QUE CONTEM INFORMAÇÃO SOBRE O PERFIL E/OU CONTORNO DO IMPLANTE (103); IDENTIFICAR OS MODELOS DE IMPLANTES NUMA BASE DE DADOS DE IMPLANTES DISPONÍVEIS DE MODO A SE OBTER EM FORMATO 3D (104); GERAR UM VOLUME TRIDIMENSIONAL, COM AS CARACTERÍSTICAS DA TÉCNICA DE IMAGIOLOGIA VOLUMÉTRICA UTILIZADA, A PARTIR DO MODELO DE IMPLANTE DENTÁRIO IDENTIFICADO ANTERIORMENTE; ALINHAR O VOLUME OBTIDO DA BASE DE DADOS COM O VOLUME OBTIDO ANTERIORMENTE; RELACIONAR OS DOIS VOLUMES EM TERMOS DE TRANSLAÇÃO E ROTAÇÃO (106) E EXPORTAR EM COORDENADAS CARTESIANAS OS PONTOS REFERENTES A CADA IMPLANTE (107).

Description

DESCRIÇÃO

Método para determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas

Âmbito da invenção

A presente invenção refere-se a um método para determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas para posterior modelação e aplicação da prótese dentária.

A presente invenção insere-se na área de medicina, mais especificamente em medicina dentária.

Estado da técnica

Os implantes dentários, localizados na maxila/mandibula de um paciente, podem ser utilizados para fixar de forma permanente uma prótese dentária na boca de um paciente. A prótese dentária inclui, tipicamente, um ou mais dentes artificiais. Em muitos casos, uma prótese dentária é configurada para ser montada sobre uma estrutura de apoio, que pode ser feita de titânio ou outro material adequado. A estrutura é presa aos implantes dentários utilizando fixadores.

É imprescindível que a localização e a orientação entre o interface de apoio para a estrutura de suporte esteja precisamente alinhada com os implantes na boca de um paciente. A posição de cada implante pode variar até seis graus de liberdade como por exemplo, localização e orientação ao longo dos eixos x, y e z. 0 desalinhamento entre um apoio e um implante pode dar origem a forças sobre a estrutura de apoio e o osso da mandibula/maxila após a fixação da estrutura aos implantes. Estas forças podem danificar a estrutura de apoio,originando fissuras, e comprometer a osseointegração dos implantes. Por conseguinte, é uma mais-valia determinar com precisão a localização e a orientação de cada implante dentário que irá servir de apoio numa estrutura dental.

método tradicional, e o mais comum, para medir a localização e a orientação dos implantes dentários utiliza um processo de impressão manual. Este método normalmente começa com a aplicação de material de impressão dentro da boca do paciente usando um molde de impressão, aberto ou fechado, com resinas de poliéster ou polisiloxano. Após algum tempo, o material de impressão solidifica, e quando é removido da boca do paciente fornece um modelo negativo da maxila/mandibula do paciente. Através deste modelo, um modelo positivo é recriado e posteriormente digitalizado para um computador para se obter um modelo 3D. A precisão deste método é limitado pela baixa rigidez e deformação não uniforme do material de impressão durante a cura, podendo deformar as impressões e por consequente alterar as posições e orientações dos implantes.

Recentemente, surgiram sistemas de visão 3D intraoral (ou scanners intraorais) para medir a localização e a orientação dos implantes dentários. 0 princípio de funcionamento destes envolvem tipicamente a obtenção de diversas imagens sobrepostas dentro da boca do paciente a partir de vários ângulos, e o processamento das imagens usando um programa de computador para gerar um modelo tridimensional. As suas principais limitações são: campo de visão menor do que a zona de interesse a adquirir; movimentação e orientação do scanner em múltiplas orientações, onde deverá ser garantido algum tipo de sobreposição das imagens; refletividade do meio envolvente; o tremor natural da mão de um ortodontista;

e, sucesso do processo de aquisição dependente da experiência do utilizador.

Em alternativa aos sistemas intraorais, podem ser utilizados sistemas óticos estereoscópicos como o sistema comercial NDI Polaris Spectra composto por uma unidade de controlo (duas câmaras de infravermelhos) e refletores acoplados no objeto de interesse. Estes são usualmente utilizados durante o planeamento e guiamento do implante até à implantação na maxila ou maxilar do paciente (W02010055193, US6640128 B2). Tradicionalmente, estes sistemas requerem refletores esféricos de um material com alta refletividade, colocados com precisão sobre o objeto a seguir. Para determinar com sucesso a localização e a orientação do objeto em relação à unidade de controlo, estes requerem pelo menos três refletores visiveis pela unidade de controlo. As suas principais limitações são: possibilidade de ocorrência de oclusões; precisão dependente da distância à unidade de controlo; dimensão, posicionamento e refletividade dos refletores afeta o comportamento do sistema; e, são igualmente dependentes da experiência do utilizador.

Outro método para medir a localização e a orientação dos implantes dentários usa elementos telescópicos, ligadas em série, de um implante para o seguinte. Em cada extremidade dos elementos telescópicos existe uma conexão com parafuso para se conseguir fixar a um implante. Cada parafuso tem liberdade angular para alinhar-se com o implante. Após a fixação dos elementos telescópicos, é aplicado uma resina para evitar a rotação destes. A precisão deste método é limitada pela resina de fixação/bloqueio dos elementos telescópicos, pelo processo moroso e de difícil execução, e por ser igualmente dependente da experiência do utilizador.

Outro método para medir a localização e a orientação dos implantes dentários é a tomografia computadorizada (TAC). Neste método, uma série de Raios-X são obtidas de um paciente, e interpolados utilizando software especifico para gerar um volume 3D. No entanto, a sua utilização em medições tridimensionais de implantes dentários ainda é limitada ou inexistente. As suas principais limitações são: a geometria do projetor e a sensibilidade do detetor; a resolução/contraste da imagem e os artefactos presentes nas imagens reconstruídas.

presente invento obtém a posição e orientação de implantes dentários, combinando os dados de uma técnica de imagiologia volumétrica (p.e. tomografia computadorizada de feixe cónico ou ressonância magnética), com um volume simulado do modelo 3D do implante presente no paciente, com as características da técnica de acquisição. Com este método, é possível obter com precisão a posição e orientação dos implantes dentários e por conseguinte diminuir os desajustes oriento-posicionais entre a prótese e os implantes, que causam problemas no paciente.

Sumário da invenção

A presente invenção diz respeito a um método para determinação da posição e orientação de implantes dentários, combinando os dados de uma técnica de imagiologia volumétrica, por exemplo tomografia computadorizada de feixe cónico ou ressonância magnética, com um volume simulado do modelo 3D do implante presente no paciente, com as características da técnica de acquisição.

Este método apresenta um conjunto de características que permitirão aumentar o sucesso das próteses implanto-suportadas, dado que diminui os problemas mecânicos promovidos pelos desajustes oriento-posicionais entre a prótese e os implantes, que podem danificar a estrutura de apoio e comprometer a osseointegração dos implantes. Para além dos problemas mecânicos, causa igualmente desconforto no paciente e aumenta o período de adaptação do paciente à prótese.

Outro aspeto está relacionado com a independência entre a precisão do sistema e a experiência do ortodontista. No método proposto, o ortodontista não intervirá durante o processo de aquisição das imagens médicas, nem durante o processo de determinação da posição e orientação dos implantes. Desta forma, a precisão final dependerá unicamente dos meios de aquisição de imagem médica, permitindo modelar as próteses dentárias com maior grau de fiabilidade e repetibilidade.

Para o efeito, a presente invenção é constituída, na sua forma preferencial, por:

- um método para extração de volumes tridimensionais, que pode conter informação sobre o perfil e/ou contorno do implante dentro do paciente. Neste método, os implantes são inicialmente identificados automaticamente através da diferença de intensidades (p.e. utilizando a escala de Hounsfield) e num segundo passo, são separados em elementos singulares. Em caso de falha na deteção automática, o utilizador pode indicar nas imagens médicas, através de pelo menos um ponto, o centro de cada implante no volume 3D, ou através de pelo menos dois pontos, a base e ponta do implante. A informação obtida deste método permite determinar o tamanho do volume a extrair, podendo conter pelo menos um implante;

um método para gerar um volume tridimensional, com as características de uma técnica de imagiologia volumétrica, a partir de pelo menos um modelo 3D de implante dentário modelado em software e/ou num formato CAD neutro (p.e. e não limitado a STL, OBJ, PLY, entre outros). Este passo pode compreender inicialmente a transformação dimensional de um objeto (p.e. implante dentário) em representação 3D (p.e. STL e/ou OBJ) para um volume tridimensional com uma resolução espacial sempre inferior a Imm (p.e. 0.05mm, 0.Imm, 0.2mm, 0.3mm, entre outras).

Seguidamente, e de forma preferencial, um sistema de reconstrução tridimensional de imagens médicas com caracteristicas similares à técnica de imagiologia volumétrica utilizada, é aplicado para reconstruir um volume tridimensional de um implante dentário, podendo este incluir deformações e/ou outras caracteristicas inerentes à técnica de imagiologia volumétrica.

um método para alinhamento ótimo do volume do modelo de implante gerado no passo anterior, sobre o volume tridimensional obtido a partir de uma técnica de imagiologia volumétrica. Este passo compreende a sobreposição dos volumes e a procura do melhor alinhamento entre as duas estruturas tridimensionais. Para tal, o método efetua o alinhamento utilizando, pelo menos, uma das seguintes métricas: intensidade do implante e/ou tamanho do implante e/ou forma do implante e/ou erro quadrático e/ou Informação Mútua e/ou sobreposição dos contornos.

- um método para correção das distorções dimensionais da técnica de imagiologia volumétrica. Neste passo, pelo menos um objeto com uma forma, uma dimensão e o valor na escala de Hounsfield uniforme e conhecido pode ser usado para definir uma escala de correção do volume tridimensional.

Breve descrição dos desenhos

Muitos dos aspetos da invenção podem ser melhor compreendidos com referência a alguns desenhos sobre a mesma. Os desenhos estão incluídos sem qualquer carácter limitativo e apenas com o objetivo de permitir uma melhor compreensão da seguinte descrição:

Figura 1: Representa uma possível concretização do método para determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas.

Figura 2: Representa uma possível concretização do procedimento de calibração do volume obtido a partir de uma técnica de imagiologia volumétrica.

Figura 3: Representa uma possível concretização dos objetos de calibração utilizados durante a determinação dos parâmetros de calibração.

Figura 4: Representa uma possível concretização do processo de extração do volume de interesse.

Figura 5: Representa uma possível concretização do processo de criação do volume a partir do modelo 3D do implante.

Figura 6: Representa uma possível concretização do alinhamento entre o implante simulado e o volume extraído das imagens tridimensionais do paciente.

Figura 7: Representa uma possível concretização do método para determinação da posição e orientação tridimensional de implantes, discriminando os resultados possíveis em cada etapa.

Descrição detalhada da invenção

Fazendo referência às figuras, é descrita em pormenor a concretização preferida do invento em que o método é constituído pelo seguinte conjunto de etapas fundamentais: extração do volume de interesse (41) , simulação do modelo de implante (42) e o alinhamento interativo entre volumes tridimensionais (43).

A presente invenção descreve um método para a determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas. 0 método proposto utiliza os volumes tridimensionais da mandibula/maxila do paciente, obtidos através de uma técnica de imagiologia volumétrica, como por exemplo, máquinas de tomografia computorizada de feixe cónico ou ressonância magnética. Sabendose o modelo de implante utilizado no paciente (20), um volume tridimensional do modelo do implante pode ser gerado (24), podendo ou não, ter em conta as características da técnica de imagiologia volumétrica (p.e. resolução, distância do sensor, distância ao objeto de interesse, tempo de aquisição). No volume gerado anteriormente, é possível identificar, sem caracter limitativo, pelo menos a posição exata da base e/ou da ponta do implante (27).

Através de métodos de alinhamento, os dois volumes são sobrepostos e/ou alinhados de forma ótima (43). Desta forma, a transformação final entre o modelo de implante gerado e o volume tridimensional extraído das imagens médicas do paciente é aplicada aos pontos conhecidos (base e/ou ponta do implante). Após este passo, os pontos, em coordenadas cartesianas, encontram-se no espaço tridimensional do volume do paciente (44). Estes pontos definem completamente a posição e o ângulo de cada implante.

A Fig. 1 representa uma visão global do método proposto. Inicialmente (100), o utilizador pode efetuar uma calibração do sistema de aquisição volumétrica, como por exemplo, tomografia computorizada de feixe cónico ou ressonância magnética, utilizando por exemplo um dos elementos de calibração propostos (01, 02 ou 04) . Neste passo (100) , o elemento de calibração deve ser colocado no centro do volume de aquisição do sistema imagiológico. De seguida, deve ser efetuada uma aquisição à máxima resolução disponível, garantindo que o objeto de calibração está dentro do volume adquirido. Através da análise dimensional do objeto no volume, pelo menos uma relação de escala é definida como a diferença entre a dimensão de referência e o objeto obtido pelo sistema de aquisição.

No passo 101, um volume da maxila/mandibula do paciente pode ser adquirida através de uma técnica de imagiologia volumétrica, sem limitações de resolução de aquisição. No mesmo volume, podem estar presentes múltiplos implantes.

Inicialmente no passo 102, as relações de escala do passo 100 podem ser utilizadas para corrigir deformações dimensionais do volume da maxila/mandibula, através da modificação do tamanho individual de cada voxel. De seguida, a partir do volume da maxila/mandibula do paciente, os implantes presentes podem ser identificados através de um método de separação baseado nas intensidades dos vóxeis ou através da identificação manual (p.e. clique do rato num voxel) de pelo menos um ponto de interesse do implante que pode ser a base do implante e/ou ponta do implante.

A partir da informação obtida no passo 102, múltiplos volumes contendo pelo menos um implante são extraídos do volume da maxila/mandibula, passo 103 - extração de volumes de interesse. 0 tamanho do volume extraído deve ser suficiente para conter o implante correspondente, garantindo que o ponto mais próximo do implante para o limite do volume nunca seja inferior a um milímetro.

Procede-se à identificação do modelo tridimensional do implante utilizado no paciente (passo 104), em que o utilizador deve identificar uma ou mais marcas e/ou modelos de implantes presentes no paciente, a partir de uma base de dados de implantes disponíveis. Cada modelo de implante deve estar associado a pelo menos um volume extraído no passo 103.

De seguida, procede-se à simulação do modelo tridimensional do implante utilizando os parâmetros da técnica imagiológica (passo 105) , em que os modelos 3D dos implantes selecionados no passo 104 serão convertidos para volumes tridimensionais através de um método de análise de volume (p.e. Voxel Ray-tracing em 3 direções - Χ,Υ,Ζ) com uma resolução igual ou inferior a 0.Imm de tamanho de voxel. Opcionalmente, o volume tridimensional gerado a partir do modelo do implante pode ser simulado com as características da técnica de imagiologia volumétrica. Neste procedimento adicional, podem ser utilizados métodos de projeção e reconstrução de volumes (p.e. Feldkamp-Davis-Kress) com as mesmas características do volume tridimensional da maxila/mandibula do paciente (p.e. resolução, tamanho, gama de intensidades, distancia do sensor, distância ao centro do volume). As informações necessárias para a simulação encontram-se disponíveis nos ficheiros DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) que acompanham o volume da maxila/mandibula. No final do passo 105, obtêm-se pelo menos um volume gerado a partir do modelo 3D do implante e/ou pelo menos um volume simulado com as características da técnica de imagiologia volumétrica.

No passo 106 procede-se à determinação da posição e orientação dos implantes, em que pelo menos dois volumes - um extraído do volume tridimensional da mandibula/maxila e outro volume com o modelo 3D do implante simulado - devem ser alinhados de forma ótima através de um método de alinhamento de imagens médicas (p.e. baseado em intensidades e/ou caracteristicas e/ou medidas de similaridade). Após o alinhamento dos volumes, a transformação final (p.e. translação e/ou orientação) que descreve a relação entre os volumes, deve ser igualmente aplicada aos pontos conhecidos (p.e. base e/ou ponta do implante).

Este procedimento para determinar a posição e orientação deve ser aplicado a todos os implantes de interesse no volume da maxila/mandibula do paciente.

Por fim, no passo 107, as posições dos pontos e ângulo (p.e. vetor entre os pontos) referentes a cada implante (base e/ou ponta do implante) podem ser exportados em coordenadas cartesianas. As coordenadas finais podem ter como referência o volume tridimensional, ou, um dos implantes localizados. No segundo formato, todas as coordenadas são relativas à posição e orientação do implante selecionado.

A Fig. 2 representa uma visão global do método de calibração proposto. Este procedimento é constituído por cinco etapas. Inicialmente 200, o utilizador deve posicionar um dos elementos de calibração propostos (01) e/ou (02) e/ou (04) no centro do volume de aquisição do sistema imagiológico. De seguida deve ser efetuada uma aquisição à máxima resolução disponível (p.e. menor tamanho de voxel), garantindo igualmente que o objeto de calibração está dentro do volume adquirido (passo 201).

Através da análise dimensional do objeto no volume, pelo menos uma relação de escala é definida como a diferença entre a dimensão de referência e o objeto obtido pelo sistema de aquisição. De seguida, o volume adquirido e um volume tridimensional do objeto 3D devem ser alinhados de forma ótima através de um método de alinhamento de imagens médicas que pode ser baseado em intensidades e/ou características e/ou medidas de similaridade (passo 202). No passo 203, pelo menos uma relação de escala, preferencialmente três relações de escala - em Χ,Υ,Ζ, entre os volumes alinhados pode ser definida como a diferença entre a dimensão exterior do modelo 3D de referência e o objeto obtido pelo sistema de aquisição.

Por fim, no passo 204, as relações de escala determinadas no passo anterior (203) podem ser utilizadas para corrigir o tamanho dos vóxeis dos volumes exportados do sistema de imagiologia aumentando e/ou diminuindo os vóxeis em cada direção - Χ,Υ,Ζ.

A Fig. 3 representa as formas preferenciais dos objetos de calibração utilizados no método proposto. Três formas são preferenciais, um cubo 01 num material radiopaco não metálico como vidro, madeira ou plástico compósito, com uma dimensão mínima nunca inferior a 30x30x30mm e dimensão máxima nunca superior a 60x60x60mm. As medidas reais do cubo devem ser aferidas por uma máquina de medição de coordenadas.

Um cilindro 02 num material radiopaco não metálico como vidro, madeira ou plástico compósito, com diâmetro externo nunca inferior a 30mm e nunca superior a 60mm, altura mínima de 30mm e máxima de 60mm, e dois furos (03) com diâmetro de 5mm desfasados de 90 graus. Um dos furos deve estar localizado a lOmm da parte superior do cilindro e o outro furo a lOmm da parte inferior do cilindro. A espessura interna do cilindro pode variar de Imm a lOmm. As medidas reais do cilindro devem ser aferidas por uma máquina de medição de coordenadas.

Em alternativa, pode igualmente ser utilizado uma base retangular (04) com múltiplos elementos cilíndricos (05) fixos e/ou facejados, num material radiopaco como vidro, madeira, plástico compósito, titânio ou similar. A base de suporte retangular (04) deve ter uma largura mínima de 30mm e máxima de 8 0mm, um comprimento mínimo de 30mm e máximo de 80mm. A altura da base deve estar entre os 5mm e os 15mm. Sobre a base (04) devem estar dispostos pelo menos dois cilindros (05), até ao máximo de dez. Os cilindros devem estar fixos na base em posições conhecidas e devem ter um diâmetro superior a 5mm e inferior a 20mm. Os cilindros 05 devem ter uma altura mínima de 5mm e máxima de 40mm. Relativamente à orientação, os cilindros devem estar alinhados preferencialmente segundo a normal da superfície da base, contudo, podem estar inclinados até a um máximo de 25 graus em relação à normal. Cada cilindro pode conter uma ou mais facetas 06 a partir do centro do topo e com um comprimento máximo igual à altura do cilindro (05) . Na base de cada cilindro pode estar presente um segundo cilindro (07) de baixo perfil (altura máxima de 5mm) , com diâmetro mínimo igual ao cilindro (05) e máximo de 4 0mm.

A Fig. 4 representa o método preferencial para a extração de um volume contendo pelo menos um implante. Inicialmente, um volume tridimensional da maxila/mandibula do paciente (11) contendo todos os implantes relevantes (10) deve ser obtido através de uma técnica de imagiologia volumétrica, como por exemplo, tomografia computorizada de feixe cónico (CBCT) ou ressonância magnética (RM) . De seguida, o utilizador poderá optar por selecionar automatica ou manualmente a localização dos implantes.

No procedimento automático, um método de separação de objetos baseado em intensidades poderá ser utilizado para dividir o volume tridimensional em pelo menos dois objetos. Um dos objetos deverá representar um implante (13) e outro objeto a maxila/mandibula do paciente (17). De seguida, utilizando o objeto que representa o implante, o centro geométrico e o eixo de orientação (12) podem ser determinados através da decomposição em valores singulares de todos os pontos que constituem a superfície do objeto e/ou utilizando uma aproximação a um elipsoide, onde o elipsoide será orientado iterativamente até aos pontos da superfície do implante.

No método manual, o utilizador deverá indicar a localização do implante através de pelo menos um ponto no centro do implante e/ou pelo menos dois pontos, um no topo e/ou outro na base do implante (14), através de um clique no voxel mais próximo. Utilizando os pontos definidos pelo utilizador, o centro do implante pode ser estimado como o ponto médio dos pontos selecionados e/ou o eixo de orientação do implante (12) como o vetor direção formado ente os pontos.

A dimensão do volume extraído (16) (representado pelas linhas tracejadas), em ambos os casos anteriores (método manual ou automático), deve ter dimensão suficiente para conter pelo menos o implante correspondente, garantindo que o ponto mais próximo do implante para o limite do volume nunca seja inferior a Imm. Por fim, o volume extraído (18) deverá conter pelo menos um implante em toda a sua extensão.

A Fig. 5 representa o método preferencial para a conversão de um modelo de implante num volume tridimensional. Inicialmente, o utilizador deve selecionar o modelo 3D de um implante 20 correspondente ao implante que quer localizar. No passo seguinte, o utilizador pode optar por gerar um volume tridimensional 22 através de um método de análise e voxelização de modelos 3D (p.e.

Voxel Ray-tracing em 3 direções - Χ,Υ,Ζ) com uma resolução espacial sempre inferior a Imm (p.e. 0.05mm, 0. Imm, 0.2mm, 0.3mm, entre outras). Em alternativa, o utilizador pode optar por gerar um volume tridimensional 23 através da simulação do modelo 3D com caracteristicas da técnica de imagiologia volumétrica, como por exemplo, tomografia computorizada de feixe cónico ou ressonância magnética. Neste procedimento, deve ser utilizado pelo menos um método de projeção e reconstrução de volumes tridimensionais (p.e. Feldkamp-Davis-Kress) com as caracteristicas do volume tridimensional da maxila/mandibula do paciente como por exemplo resolução, tamanho, gama de intensidades, distância do sensor ou distância ao centro do volume. As informações necessárias para a simulação encontram-se disponíveis nos ficheiros DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) que acompanham o volume da maxila/mandibula.

Em geral, qualquer um dos métodos anteriores representa completamente o modelo 3D do implante num espaço volumétrico tridimensional. Em específico, o volume (24) apresenta pelo menos as mesmas caracteristicas do método de voxelização, acrescentando distorções específicas do método de projeção e reconstrução inerentes à técnica de imagiologia volumétrica.

Por fim, o volume gerado (24) deve ser orientado e sobreposto com a estimativa do centro e da orientação (26) já determinados num passo anterior (Fig.4) através de uma transformação T (translação e rotação). Desta forma, o volume gerado e o volume extraído da maxila/mandibula do paciente estarão pré-alinhados (25) . A mesma transformação T aplicada ao volume gerado durante o préalinhamento deve ser igualmente aplicada aos pontos que definem a base e ponta do implante (21), assim, os pontos (27) estarão também definidos no mesmo espaço do volume tridimensional 25, gerado anteriormente.

A Fig. 6 representa o método preferencial para o alinhamento ótimo entre pelo menos dois volumes tridimensionais. Inicialmente, ambos os volumes, isto é, pelo menos um volume extraído (30) a partir do volume da maxila/mandibula do paciente e/ou um volume gerado a partir do modelo 3D do implante aplicado no paciente (33), devem estar pré-alinhados. Apesar de alinhados, os volumes podem não estar numa posição e orientação ótima, 31 e 32, sendo necessário proceder a um realinhamento mais preciso. 0 alinhamento ótimo é conseguido através de pelo menos um método de alinhamento iterativo para imagens médicas (p.e. ICP ou Landmark Tracking ou registo volumétrico de imagens).

procedimento de alinhamento deve ser iniciado com uma rotação (34) do volume gerado sobre o eixo principal do implante e repetida até se completar uma rotação completa. 0 avanço na rotação do volume gerado não deve ser superior a 20°. Após cada rotação do volume gerado, um método de alinhamento iterativo deve ser aplicado para alinhar (translação e rotação 35) de forma ótima os volumes. De seguida, uma medida ou uma combinação de medidas de avaliação (36) como por exemplo baseado em intensidades e/ou caracteristicas e/ou erro quadrático e/ou Informação Mútua e/ou medidas de similaridade entre volumes tridimensionais, indicará a rotação ótima (34) para alinhar os volumes iniciais (30 e 33) .

Após efetuar uma rotação completa ao volume gerado, deve ser selecionada a rotação R e a translação T ótima, obtida pelo método de alinhamento do implante, através da identificação da rotação com melhor similaridade entre os volumes. Por fim, a translação T e a rotação R serão aplicadas aos pontos 33 que definem a base e ponta do modelo do implante, transformando os pontos (37) para o espaço do volume extraído da maxila/mandibula do paciente (30).

Após este passo, os pontos (37) definem completamente a posição e orientação (i.e. o vetor direção entre os pontos) do implante no espaço tridimensional do volume do paciente.

A Fig. 7 representa uma visão global do método proposto e a interligação dos diversos passos. 0 método para determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas inicia-se com a aquisição de um volume tridimensional da maxila/mandibula do paciente (41) . A partir do volume completo do paciente, é extraído pelo menos um sub-volume contendo um implante (47) . A localização e tamanho do sub-volume pode ser definido de forma manual (por exemplo pelo utilizador) ou automática (por exemplo separação de objetos por intensidade). A informação do centro geométrico e orientação (46) de cada um dos sub-volumes extraídos (47) é utilizada para reorientar o volume gerado a partir do modelo 3D do implante (45) selecionado pelo utilizador. 0 volume tridimensional gerado a partir de um modelo 3D de um implante (42) pode conter ou não características inerentes à técnica de imagiologia volumétrica, como por exemplo, tomografia computorizada de feixe cónico ou ressonância magnética. Estas caraterísticas podem ser simuladas através de pelo menos um método de projeção e reconstrução de volumes (p.e. Feldkamp-Davís-Kress) com as mesmas características do volume tridimensional da maxila/mandibula do paciente (p.e. resolução, tamanho, gama de intensidades, distancia do sensor, distância ao centro do volume). As informações necessárias para a simulação encontram-se disponíveis nos ficheiros DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) que acompanham o volume da maxila/mandibula. Para além das características anteriores, pelo menos dois pontos (p.e. base e/ou ponta do implante) definem a posição e orientação do modelo 3D do implante.

Apesar de sobrepostos e orientados de forma similar, os volumes em que pelo menos um extraído do volume do paciente (47 e/ou outro volume gerado a partir do modelo 3D do implante (48 não apresentam um alinhamento ótimo. Nesta fase (43, os volumes são otimamente realinhados através de pelo menos um método de alinhamento interativo. Este método pressupõe a rotação do volume gerado a partir do modelo 3D do implante sobre o seu eixo axial, em passos menores que 20°, até completar uma volta completa. Por cada passo de rotação do volume, o procedimento de alinhamento deve avaliar o alinhamento entre os volumes através de uma métrica baseada em intensidades e/ou características e/ou erro quadrático e/ou Informação Mútua e/ou medidas de similaridade entre volumes tridimensionais. No final, o índice em que valor de métrica é mais elevado determina a rotação R e translação T ótima, obtida a partir do método de alinhamento, entre os volumes.

Por fim no passo 44, a transformação (T e R) é aplicada aos pontos ( base e/ou ponta do implante) definidos inicialmente no modelo 3D do implante. Como resultado, estes pontos definem por completo a localização e orientação do implante no volume tridimensional do paciente.

A Fig. 8 representa uma visão global de uma possível aplicação do método proposto no desenvolvimento de próteses dentárias a partir de imagens médicas. Nesta aplicação, um afastador de lábios 300 e/ou um afastador customizado para o paciente deve ser utilizado para separar os tecidos faciais, e a língua, das gengivas da maxila/mandibula do paciente. De seguida, o paciente deve ser submetido a uma técnica de imagiologia volumétrica (p.e.

tomografia computorizada ou ressonância magnética) com o afastador colocado no passo 301. 0 afastador (300) deve ser construído num material radiopaco com uma densidade diferente dos tecidos moles e/ou osso para garantir um bom contraste nas imagens médicas. 0 contraste definido pelo afastador nas imagens médicas será utilizado como indicador do contorno da maxila/mandibula e/ou gengiva e, desta forma, permitir extrair apenas a dentição e/ou gengiva do paciente (passo 302).

Durante o desenvolvimento e construção de uma prótese dentária, o técnico responsável deve posicionar pelo menos um dente na base da prótese (passo 303), e de seguida articular os modelos da mandíbula e/ou maxila (passo 304) segundo uma rotação predefinida e/ou utilizando informações anatómicas do paciente (307) para replicar o movimento da mandíbula. Por fim, este deve verificar a existência de oclusões/obstruções entre o modelo de implante recém-posicionado com as estruturas vizinhas como dentes e/ou gengivas 305. Este é um procedimento interativo 306 que termina quando todos os modelos de dentes estiverem posicionados sobre a base da prótese, garantindo a inexistência de oclusões/obstruções que possam impedir a correta aplicação da prótese. No final deste procedimento, pode ser exportado um modelo tridimensional da maxila/mandibula utilizada durante o processo e/ou um modelo tridimensional do protótipo da prótese desenvolvida 309.

Após a aquisição do volume tridimensional do paciente, o técnico pode iniciar o procedimento para a determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas 308 (como descrito no presente invento). 0 resultado deste passo pode ser utilizado no final (310) para gerar um modelo tridimensional da maxila/mandibula que pode combinar o volume utilizado durante o procedimento de localização dos implantes e/ou os modelos virtuais dos implantes ou a respetiva posição e vetor direção, sobre as posições e orientações determinadas em 308.

No final desta possível aplicação 309 e 310, estará disponível um modelo tridimensional da mandibula/maxila com uma prótese customizada sobre a localização desejada pelo técnico e/ou um segundo modelo tridimensional da mandibula/maxila com a posição e orientação dos implantes. Caso ambos os modelos tridimensionais se refiram à mesma maxila/mandibula, estes podem ser alinhados e/ou combinados num único modelo tridimensional.

Claims (20)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Método para determinação da posição e orientação tridimensional de implantes em imagens médicas caracterizado por compreender os seguintes passos:

   a. Obter uma imagem do volume tridimensional maxila/mandibula do utilizador que contem os implantes através de uma técnica de imagiologia volumétrica;

   b. Localizar os implantes na imagem da maxila/mandibula manual ou automaticamente;

   c. Extrair o volume que contem informação sobre o perfil e/ou contorno do implante;

   d. Identificar os modelos de implantes numa base de dados de implantes disponíveis de modo a se obter em formato 3D;

   e. Gerar um volume tridimensional, com as características da técnica de imagiologia volumétrica utilizada, a partir do modelo de implante dentário identificado em d);

   f. Alinhar o volume obtido em c) com o volume obtido em e) ;

   g. Relacionar os dois volumes em termos de translação e rotação;

   h. Exportar em coordenadas cartesianas os pontos referentes a cada implante.
2. 2. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por dividir o volume em mandíbula/maxila e implante e determinar o centro geométrico e o eixo de orientação do implante através da decomposição em valores singulares de todos os pontos que constituem a superfície do objeto ou através de um método interativo para aproximação a um elipsoide.
3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a localização manual dos implantes na imagem imagiológica consistir em o utilizador identificar a localização de pelo menos um ponto no centro do implante e/ou pelo menos um ponto no topo e outro na base do implante através de um clique no voxel mais próximo.
4. 4. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por estimar o ponto médio dos pontos selecionados e/ou o eixo de orientação do implante como o vetor direção formado entre os pontos.
5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a extração do volume ser por um método de projeção e reconstrução de volumes tridimensionais com características da mandibula/maxila selecionadas de entre a resolução, o tamanho, a gama de intensidades, a distância do sensor e/ou a distância ao centro do volume.
6. 6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o volume extraído ter a dimensão suficiente para conter pelo menos o implante correspondente de modo a que o ponto mais próximo do implante para o limite do volume seja superior a Imm.
7. 7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a conversão do modelo 3D de uma base de dados em volume tridimensional descrito em e) consistir num método de análise e voxelização de modelos 3D com resolução espacial inferior a Imm.
8. 8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por o alinhamento dos volumes compreender:

   a. efetuar a rotação do volume gerado sobre o eixo principal do implante e repetir até se completar a rotação completa com avanços nunca superiores a 20°;

   b. aplicar um método interativo de rotação;

   c. combinar medidas de avaliação de intensidades ou de caracteristicas ou de erro quadrático ou informação mútua ou medidas de similaridade ou combinações destas medidas entre volumes tridimensionais, para identificação do alinhamento ótimo.
9. 9. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o alinhamento ótimo resultar da rotação com melhor similaridade entre o volume do implante extraído da mandibula/maxila e o volume da base de dados de implantes.
10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a técnica de imagiologia volumétrica ser tomografia computadorizada de feixe cónico ou ressonância magnética.
11. 11. Método, de acordo com as reivindicações 1 a 10, caracterizado por opcionalmente ser efetuada uma calibração do volume obtido.
12. 12. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a calibração ser para um objeto de referência ou um objeto e duas referências ou um objeto e múltiplas referências.
13. 13. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o objeto ser de forma cúbica, cilíndrica ou de base retangular com múltiplos elementos cilíndricos fixos e/ou facej ados.
14. 14. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por cubo ser de material radiopaco não metálico com uma dimensão mínima nunca inferior a 30x30x30mm e dimensão máxima nunca superior a 60x60x60mm.
15. 15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o cilindro ser de um material radiopaco não metálico, com uma espessura interna entre Imm a lOmm e com diâmetro externo nunca inferior a 30mm e nunca superior a 60mm, de altura mínima de 30mm e máxima de 60mm e dois furos com diâmetro de 5mm desfasados 90 graus.
16. 16. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por um dos furos estar localizado a lOmm da parte superior do cilindro e o outro furo a lOmm da parte inferior do cilindro.
17. 17. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por a base retangular com múltiplos elementos cilíndricos fixos e/ou facejados ser de material radiopaco, sendo que a base de suporte retangular deve ter uma largura mínima de 30mm e máxima de 80mm, um comprimento mínimo de 30mm e máximo de 80mm.
18. 18. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por na base estarem fixos pelo menos dois cilindros, até ao máximo de dez, em posições conhecidas e com um diâmetro superior a 5mm e inferior a 20mm.
19. 19. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por os cilindros terem uma altura mínima de 5mm e máxima de 40mm e estarem alinhados preferencialmente segundo a normal da superfície da base, podendo estar inclinados até a um máximo de 25 graus em relação à normal.
20. 20. Método, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por cada cilindro poder conter uma ou mais facetas a partir do centro do topo e com um comprimento máximo igual à altura do cilindro e na base de cada cilindro pode estar presente um segundo cilindro de baixo perfil de altura máxima 5mm.