Cartesian three-dimensional method to quantify displacements between cone beam computed tomography models

ABSTRACT Introduction: Research in Orthodontics and Oral Surgery has been relying on three-dimensional (3D) models to evaluate treatment results with displacement color map techniques, even though it has important limitations. Objectives: This study proposed a method of tracking translational movements of 3D objects to evaluate displacements in surfaces with no shape modification. Methods: Cone Beam Computed Tomography (CBCT) data of ten patients were imported to the Dolphin software. A hypothetical virtual surgical plan (randomly defined) was developed in the software and afterwards verified using the proposed method. All the procedures were carried out by two evaluators, in two different time-points, with a 15-day interval. ITK-Snap software was used to generate high quality STL models. Centroid points were automatically generated and their coordinates were compared to confirm if they represented the known displacements simulated. The paired t-test and the Bland-Altman plots were used, as well as the intraclass correlation coefficient. Results: Interexaminers and intra-examiner tests showed excellent reliability of the method, with mean displacement measurement error values under 0.1mm. The paired t-test did not show any statistically significant differences. Conclusion: The method showed excellent reliability to track the simulated translational displacements of bone segments.

RESUMO Introdução: Grande parte das pesquisas em Ortodontia e Cirurgia Oral tem utilizado modelos tridimensionais e realizado avaliações por meio de mapa de cores de deslocamento, apesar das limitações existentes. Objetivo: O presente estudo teve como objetivo propor um método de rastreamento de movimentos translacionais de objetos 3D, para avaliar deslocamentos em superfícies sem modificação de forma. Métodos: Dez adultos que seriam submetidos à cirurgia ortognática tiveram suas tomografias computadorizadas de feixe cônico pré-cirúrgicas importadas para o software Dolphin. Um plano cirúrgico virtual hipotético com deslocamentos conhecidos foi desenvolvido e posteriormente verificado pelo método proposto. Todos os procedimentos foram realizados por dois avaliadores, em dois momentos diferentes, com intervalo de 15 dias. O software ITK-Snap foi usado para gerar modelos STL de alta qualidade dos ossos do paciente. Os pontos do centroide foram gerados automaticamente, e suas coordenadas foram comparadas, para confirmar se representavam os deslocamentos conhecidos simulados. Para análise estatística, foram usados teste t pareado, coeficiente de correlação intraclasse e os gráficos de Bland-Altman. Resultados: O teste inter e intraexaminadores mostrou boa confiabilidade do método, com valores médios abaixo de 0,1mm para os erros de medida de deslocamento. Conclusão: O método mostrou boa confiabilidade para avaliar o deslocamento de segmentos ósseos após cirurgia ortognática, devendo ser aplicado como uma ferramenta completa de avaliação verdadeiramente tridimensional.

Evaluation of two stereophotogrametry software for 3D reconstruction of virtual facial models

ABSTRACT Objective: The present study aimed to evaluate the accuracy of 3D facial soft tissue virtual models produced by two photogrammetry softwares (AgiSoft Photoscan and 3DF Zephyr Free), when compared to those created by cone beam computed tomography (CBCT). Methods: Ten patients were submitted to two sequences of photographs performed with a DSLR camera (with and without the aid of a ring flash) and CBCT scans. Each photo series for each patient was processed with the softwares, and at the end, five models of each patient were generated: 1) CBCT, 2) AAL (Agisoft Ambient Light), 3) AFL (Agisoft Flash Light), 4) ZAL (Zephyr Ambient Light), and 5) ZFL (Zephyr Flash Light). Color coded maps and root-mean-square (RMS) distances were used to compare the photogrammetry models to the CBCT ones. Results: One sample t-test showed significant differences between all methods versus CBCT. The worst results were seen in the ZAL group (discrepancies up to 5.17mm), while the best results were produced by AAL group (discrepancies up to 2.11mm). Conclusions: It can be concluded that this type of virtual facial models are reasonably accurate, although not perfect, and considering its lower biological and financial cost, they may play an important role in specific situations.

RESUMO Objetivo: O presente estudo teve como objetivo avaliar a acurácia de modelos virtuais 3D de tecidos moles faciais produzidos por dois softwares de fotogrametria (AgiSoft Photoscan e 3DF Zephyr Free), em comparação aos gerados por tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC). Métodos: Dez pacientes foram submetidos a duas sequências de fotografias realizadas com câmera DSLR (com e sem auxílio de ring flash) e a TCFC. Cada série de fotografias de cada paciente foi processada com os softwares e, ao fim, foram gerados cinco modelos de cada paciente: 1) TCFC; 2) AAL (Agisoft Ambient Lighting); 3) AFL (Agisoft Flash Light); 4) ZAL (Zephyr Ambient Lighting); e 5) ZFL (Zephyr Flash Light). Mapas codificados por cores e distâncias quadráticas médias (RMS) foram usados para comparar os modelos de fotogrametria com os de TCFC. Resultados: O teste t para uma amostra mostrou diferenças significativas entre todos os métodos versus a TCFC. Os piores resultados foram observados no grupo ZAL (discrepâncias de até 5,17 mm), enquanto os melhores resultados foram produzidos pelo grupo AAL (discrepâncias de até 2,11 mm). Conclusões: Pode-se concluir que esse tipo de modelos faciais virtuais é razoavelmente preciso, embora não sejam perfeitos; e, considerando-se seu menor custo biológico e financeiro, podem desempenhar um papel importante em situações específicas.

Acurácia de modelos ortodônticos por escaneamento a laser, luz estruturada e tomografia computadorizada / Accuracy of orthodontic models scanned by laser, structured light, and computed tomography

Introdução: com a crescente utilização dos modelos digitais em Ortodontia, aumenta também a necessidade de se conhecer as opções disponíveis para sua obtenção. Atualmente, a alternativa mais utilizada é o escaneamento de modelos de gesso, que pode ser realizado em scanners a laser, por luz estruturada ou por tomografia computadorizada. O objetivo deste trabalho foi avaliar, através de uma análise por sobreposição de modelos digitais, a acurácia dos modelos digitais gerados por estes três métodos de escaneamento e a influência de dois diferentes níveis de resolução de escaneamento. Material e métodos: 30 pares de modelos de gesso foram escaneados utilizando as três tecnologias. O escaneamento por luz estruturada foi realizado com duas configurações do nível de resolução: máxima e padrão. Os modelos digitais gerados foram sobrepostos e as diferenças entre as superfícies foram calculadas. Mapas de cores foram utilizados para evidenciar as discrepâncias entre os modelos. Resultados: para todos os parâmetros avaliados, foram obtidas diferenças estatisticamente significantes. As diferenças entre os modelos escaneados a laser e por luz estruturada foram menores, o que sugere maior similaridade entre eles. Conclusão: as diferenças encontradas entre os modelos digitais obtidos pelas três tecnologias de escaneamento estudadas foram estatisticamente significantes. No entanto, por serem muito pequenas quantitativamente, não foram consideradas clinicamente significantes. Não houve diferença entre os dois níveis de resolução estudados, portanto, os três métodos de escaneamento avaliados possuem uma acurácia clinicamente aceitável para ser utilizado em Ortodontia.

Introduction: the increasing use of digital models in orthodontics demands knowledge of the available options for their acquisition. Currently, the most used option is the plaster model scanning, which can be made by laser, structured light and computed tomography scanners. The aim of this study was to evaluate, by a model superimposition analysis, the accuracy of digital models acquired by these three scanning methods and the influence of two different resolution levels of scanning. Methods: thirty pairs of plaster models were scanned using three different scanning technologies: laser, structured light and computed tomography. The structured light scanning was performed using two different resolution levels: maximum and standard. The respective digital models were superimposed and their mean differences were compared using color maps by Geomagic Qualify software. Results: for all parameters studied, statistically significant differences were found. Lower differences were presented between models scanned by laser and structured light techniques, which suggests a higher similarity between them. Conclusion: the differences found between digital models obtained by the three scanning technologies were statistically significant. However, they were quantitatively very small, which was considered clinically insignificant. There was no difference between the two resolution levels of scanning studied. Therefore the three scanning methods studied presented accuracy clinically acceptable to be used in orthodontics.