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Superposição automatizada de modelos tomográficos tridimensionais em cirurgia ortognática Alexandre Trindade Simões da Motta*, Felipe de Assis Ribeiro Carvalho**, Ana Emília Figueiredo Oliveira***, Lúcia Helena Soares Cevidanes****, Marco Antonio de Oliveira Almeida*****
Resumo Introdução: as limitações na avaliação quantitativa e qualitativa de deslocamentos cirúrgi-
cos pelos métodos bidimensionais podem ser superadas através de tomografias volumétricas e ferramentas de imagens tridimensionais. Objetivos: a metodologia descrita neste trabalho permite avaliar as mudanças nas posições de côndilos, ramos, mento, maxila e da dentição após a cirurgia ortognática através de tomografias computadorizadas de feixe cônico (Cone Beam Computed Tomography, CBCT) antes e após o procedimento cirúrgico. Métodos: são construídos modelos 3D que possibilitam superposições tendo a base do crânio pré-cirúrgica como referência, utilizando-se um método automático que identifica e compara a escala de cinza dos voxels de duas estruturas tridimensionais, eliminando a necessidade do operador marcar os pontos anatômicos. Então, as distâncias entre as superfícies anatômicas são computadas, no mesmo indivíduo, entre as duas fases. A avaliação das direções de deslocamento das estruturas é determinada visualmente pelos métodos de mapas coloridos e de semitransparências. Conclusões: conclui-se que a metodologia apresentada, que utiliza softwares de domínio público, mostra vantagens na avaliação longitudinal de pacientes ortocirúrgicos, quando comparada aos métodos radiográficos convencionais, uma vez que as imagens geradas não apresentam magnificações ou sobreposições de estruturas e a maioria dos passos são automatizados, o que torna os procedimentos de mensuração mais precisos, além de disponibilizar uma maior quantidade de informações ao clínico ou pesquisador. Palavras-chave: Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico. Imagem tridimensional. Cirurgia assistida por computador. Simulação por computador. Ortodontia. Cirurgia bucal.
* Doutor, Mestre e Especialista em Ortodontia pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). Estágio de Doutorando Bolsa CAPES 382705-4 na University of North Carolina at Chapel Hill (UNC/2006). Professor Adjunto de Ortodontia da Universidade Federal Fluminense (UFF). ** Mestre e Especialista em Ortodontia (UERJ) e Especialista em Radiologia Oral (ABORJ). Doutorando em Ortodontia (UERJ). *** Especialista (UFRJ), Mestre e Doutora em Radiologia Odontológica (FOP-UNICAMP). Pós-doutorado (UNC) - Bolsa FAPEMA 128/06. Professora de Radiologia Odontológica da UFMA. **** PhD em Biologia Oral (UNC). Professora do Departamento de Ortodontia (UNC/Chapel Hill). ***** Pós-doutorado em Ortodontia (UNC). Professor Titular de Ortodontia (UERJ).
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Superposição automatizada de modelos tomográficos tridimensionais em cirurgia ortognática
INTRODUÇÃO A avaliação do complexo craniofacial em Ortodontia e Cirurgia normalmente envolve um exame clínico em conjunto com ferramentas de diagnóstico, como fotografias, modelos de estudo e radiografias. Os métodos radiográficos tradicionais apresentam características que limitam seu valor diagnóstico, como magnificações, sobreposições e outras distorções relacionadas à representação bidimensional (2D) de estruturas tridimensionais (3D)17. Na tentativa de superar tais limitações, o uso da tomografia computadorizada médica foi introduzido em algumas especialidades odontológicas, como no planejamento cirúrgico de implantes osseointegrados e no diagnóstico de patologias bucais17,27. O diagnóstico radiográfico tridimensional vem sendo intensificado na Odontologia através da tomografia computadorizada de feixe-cônico (CBCT, do inglês cone beam computed tomography). Esse método elimina muitas limitações dos métodos 2D e seu uso vem aumentando em todo o mundo, e especificamente na Ortodontia, a partir da publicação do primeiro trabalho21 em 1998, e desde que o primeiro equipamento foi introduzido em 2001 nos EUA17. A CBCT tem sido descrita5,16,21 como o método 3D de escolha para imaginologia maxilofacial devido à características específicas em relação à tomografia médica, como: redução do custo do equipamento e do exame, redução da radiação e tempo de aquisição, bom contraste de imagem para os ossos da face e dentes, e a possibilidade de se obter com uma única exposição todo o conjunto de imagens ortodônticas tradicionais. A CBCT permite a reconstrução 3D com completa visualização das estruturas faciais, além da realização de medições3. Novas aplicações ortodônticas de técnicas avançadas de imagens 3D incluem superposições de modelos computadorizados para verificação de crescimento, mudanças com tratamento e estabilidade, além de análises dos tecidos moles e
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simulação computadorizada de procedimentos cirúrgicos. Ou seja, avaliações quantitativas e qualitativas do deslocamento, respostas adaptativas e reabsorção de estruturas esqueléticas, antes inviáveis com técnicas 2D, podem agora ser realizadas através de reconstruções e superposições 3D a partir do advento da CBCT.3,5,19 O objetivo deste trabalho é descrever uma metodologia de superposição de modelos tridimensionais reconstruídos a partir de tomografias computadorizadas da face, indicando ferramentas de análise quantitativa e qualitativa e ilustrando as possibilidades de visualização em pacientes ortocirúrgicos. estabilidade da cirurgia ortognática De acordo com a hierarquia de estabilidade para os diferentes procedimentos ortocirúrgicos, o avanço de mandíbula apresenta um alto grau de estabilidade (em pacientes com face normal ou curta, em avanços de até 10mm), assim como a impacção de maxila, se comparados a outras modalidades cirúrgicas. Ambos são definidos como tendo mais de 90% de chance de apresentar alterações menores que 2mm nos pontos de referência no primeiro ano pós-cirúrgico, além de quase nenhuma chance de mostrar mudanças acima de 4mm. A mentoplastia, o procedimento auxiliar mais comum, é considerada altamente estável e previsível1,25,26. O avanço de maxila é classificado como estável se, dentro do limite moderado de 8mm, apresentar 80% de chance de recidiva menor que 2mm, 20% de chance de 2 a 4mm de recidiva e quase nenhuma chance de alteração maior que 4mm. Da mesma forma, correções assimétricas verticais da maxila, impactando um lado da mesma, e às vezes reposicionando inferiormente o outro, são consideradas igualmente estáveis. Alguns procedimentos são considerados estáveis se realizados com fixação rígida com miniplacas e parafusos: as cirurgias combinadas de impacção maxilar e avanço
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um aumento do comprimento mandibular a longo prazo (crescimento residual nos côndilos) é tão provável quanto uma redução do mesmo devido à reabsorção condilar18,28. Espera-se um grande impacto das imagens 3D sobre a prática clínica, envolvendo principalmente três áreas: o mapeamento da superfície dos tecidos moles da face, os modelos digitais das arcadas e a visualização e medição das estruturas esqueléticas. Ressalta-se que o desenvolvimento da CBCT21 com alta resolução para imagens maxilofaciais com baixas doses de radiação deva possibilitar uma avaliação com maior precisão das alterações nas dimensões dos maxilares e na morfologia condilar.
(Classe II) ou recuo mandibular (Classe III), avanço maxilar e recuo mandibular, e a correção assimétrica mandibular isolada, ainda que, para essa, a disponibilidade de dados seja menor1,25,26. Três procedimentos estão na categoria de problemáticos, apresentando uma chance de 4050% de alterações pós-cirúrgicas entre 2 e 4mm, e uma significativa chance de recidiva acima de 4mm: recuo mandibular, reposição inferior da maxila e expansão maxilar. Entretanto, mesmo nesses três grupos de pacientes, pelo menos 50% não experimentam nenhuma alteração pós-cirúrgica importante1,25,26. Tanto a rotação quanto o deslocamento transverso dos côndilos relacionados à cirurgia do ramo foram descritos2, mas ainda pouco se sabe sobre a influência das rotações e deslocamentos e da subsequente reabsorção e remodelação óssea condilar sobre a instabilidade pós-tratamento. Alguns autores12,13 utilizaram imagens tomográficas para avaliar a posição condilar e os deslocamentos após diferentes tipos de cirurgia, mas mudanças relacionadas à remodelação condilar ainda não foram relatadas em estudos com tomografia computadorizada. A remodelação dos côndilos é considerada um importante fator na estabilidade após a cirurgia ortognática, podendo afetar os resultados do tratamento. A localização, pelo clínico, de diversos pontos de referência anatômicos se torna necessária na determinação de alterações morfológicas nos côndilos e, consequentemente, na influência dessas alterações sobre a estabilidade pós-cirúrgica. Problemas na identificação de pontos anatômicos durante as análises cefalométricas tradicionais têm sido considerados uma fonte significativa de erros na determinação de importantes medições craniofaciais9. A reabsorção condilar a longo prazo e a recidiva com abertura de mordida anterior foram descritas como potenciais problemas clínicos após o avanço mandibular,9 ocorrendo em 5-10% dos pacientes submetidos ao avanço de mandíbula. Mas
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Superposição de modelos tridimensionais Os complexos movimentos durante as cirurgias para correção de deformidades dentofaciais certamente precisam ser avaliados em três dimensões, com o objetivo de melhorar os resultados, a estabilidade, aumentar a previsibilidade e reduzir os sintomas de desordens temporomandibulares após a cirurgia4. Várias técnicas para a reconstrução de imagens tomográficas foram utilizadas no diagnóstico, planejamento de tratamento e simulação cirúrgica11,13,23,29. Entretanto, o registro/superposição de imagens tridimensionais impõe desafios operacionais, principalmente pela dificuldade de se estabelecer pontos de referência anatômicos sobre superfícies reais e que não possuem convenções para localização nos três planos do espaço4. Um estudo3 validou o método de construção, superposição e medição de distâncias entre superfícies em modelos 3D a partir de imagens da CBCT, adaptando softwares e análises de imagens a partir de estudos neurológicos por ressonância magnética. Foram comparados o posicionamento dos côndilos e bordo posterior dos ramos em dez pacientes submetidos a cirurgias maxilares, ou seja, sem osteotomias mandibulares, entre exames de uma semana antes e uma semana depois da cirurgia. Além de
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Outro estudo8 comparou um grupo tratado com avanço maxilar e recuo mandibular (16 pacientes Classe III) e outro tratado apenas com avanço maxilar (17 pacientes Classe III). Em ambos os grupos, os ramos tenderam a um deslocamento posteroinferior com a cirurgia (T2 = uma semana após a cirurgia), mas anterossuperior após a remoção do splint cirúrgico (T3 = seis semanas após a cirurgia). No primeiro grupo, o bordo posterior do ramo mostrou deslocamentos >4mm em 44% e entre 2-4mm em 22% dos pacientes após a cirurgia. Entre T2-T3, os ramos apresentaram deslocamento <2mm em 97% dos casos. Para o grupo da cirurgia isolada, não se observou deslocamento >4mm em T2. Os ramos tiveram movimentos <2mm em 76% e 85% dos casos entre T1-T2 e T2-T3, respectivamente (T1 = pré-cirúrgico). Os deslocamentos condilares no primeiro grupo foram no sentido posterior entre T1-T2 (72% dos pacientes) e superior entre T2/T3 (75%). Os resultados foram similares para o grupo da cirurgia de maxila, no sentido posterior (71% dos pacientes) entre T1-T2 e superior (74%) entre T2-T3. Os deslocamentos condilares foram <2mm em 91% dos casos entre T1-T2 e T2-T3 no grupo da maxila, e <2mm em 93% (T1-T2) e 100% (T2T3) no grupo da cirurgia combinada. A cirurgia combinada resultou em maiores deslocamentos a curto prazo, enquanto os deslocamentos condilares foram pequenos em ambos os grupos. Um estudo10 das alterações maxilares em pacientes Classe III submetidos à osteotomia Le Fort I utilizando a superposição de modelos tridimensionais das fases pré-cirúrgica, uma semana pós-cirúrgica e um ano pós-cirúrgico mostrou que não houve diferença significativa entre os posicionamentos anteroposterior e transversal da maxila, concluindo que esse tipo de procedimento foi estável no primeiro ano de acompanhamento pós-cirúrgico. Em uma tentativa de localização da assimetria esquelética em dez pacientes com microssomia hemifacial, compararam-se os desvios de
terem sido encontradas diferenças médias entre superfícies com uma precisão (0,70 a 0,78mm) muito próxima da resolução espacial das tomografias (0,6mm), foram encontradas desprezíveis diferenças interobservadores (média = 0,02mm). As alterações em côndilos e ramos após a cirurgia de avanço maxilar e recuo mandibular (11 pacientes Classe III) e cirurgia maxilar isolada (10 pacientes com variadas más oclusões) foram comparadas através da superposição de modelos 3D construídos a partir da CBCT. Os deslocamentos condilares foram pequenos em ambos os grupos (médias de 0,77 e 0,70mm, respectivamente), sem diferenças significativas. Já nos deslocamentos dos ramos, o primeiro grupo (cirurgia combinada) apresentou maior rotação posterior (1,98mm), com 8 indivíduos apresentando uma distância máxima entre superfícies ≥2mm, enquanto o segundo grupo mostrou deslocamento significativamente menor (0,78mm), com apenas um indivíduo mostrando distâncias ≥2mm. O método foi capaz de identificar claramente a localização, magnitude e direcionamento dos deslocamentos estruturais mandibulares. Além disso, permitiu a quantificação dos movimentos vertical, transverso e anteroposterior do ramo acompanhando a cirurgia mandibular, o que não ocorreu com a cirurgia maxilar isolada4. Dados preliminares do acompanhamento da mesma amostra citada anteriormente mostraram informações importantes. A média do deslocamento/remodelação nos côndilos mandibulares um ano após a cirurgia foi de 1,07 e 0,77mm para o grupo da cirurgia combinada e da cirurgia maxilar isolada, respectivamente (p < 0,05). Todos os pacientes do primeiro grupo mostraram remodelação e movimento com rotação anterior dos ramos (média = 1,85mm), enquanto no segundo grupo a média dos deslocamentos nos ramos foi de 0,86mm (p < 0,01). Os dados sugeriram que a posição maxilar se manteve bastante estável e que a cirurgia combinada resultou em maiores alterações de posição e remodelação nos côndilos e ramos que a cirurgia isolada de maxila.
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uma tendência a adaptações fisiológicas a curto prazo na direção de retorno às posições iniciais de côndilos e ramos, uma total manutenção do deslocamento cirúrgico anterior ou anteroinferior do mento em 75% dos pacientes, mas alguma tendência a deslocamentos posteriores ou posterossuperiores do mento em 25%, ainda que de baixa magnitude. Em acompanhamentos no longo prazo de 1 ano e 2 anos após a cirurgia, as superposições dos modelos tridimensionais dessa amostra poderão fornecer importantes informações acerca da estabilidade da correção mandibular19,20. Deslocamentos cirúrgicos e remodelações adaptativas ocorrem relativamente às estruturas adjacentes do complexo craniofacial. Por essa razão, as medições de curvas e superfícies tridimensionais não são isoladas, mas determinadas pela maneira como diferentes estruturas se relacionam. As rotações mandibulares pós-cirúrgicas podem ser influenciadas pela morfologia e posicionamento maxilar, mandibular e da fossa articular, assim como o tipo de movimento cirúrgico maxilar14. Estudos sobre estabilidade têm mostrado que o deslocamento maxilar para cima ou para frente é mais estável que o movimento para baixo.1,24 O deslocamento inferior da maxila em cirurgias combinadas certamente influencia a posição mandibular, portanto a associação entre cirurgias maxilares e o tipo de rotação mandibular requer estudos adicionais com acompanhamento a longo prazo4.
anatomia e posicionamento das superfícies dos côndilos, ramos e corpo mandibulares entre os lados esquerdo e direito. Na imagem volumétrica, o modelo 3D construído a partir de uma CBCT, foi criado um plano mediano de forma a espelhar a imagem para o lado oposto. Superpondo as imagens na base do crânio, foram então comparados o lado afetado com o lado não afetado, revelando variabilidade na localização da assimetria. Acredita-se que esse método e alguns resultados preliminares poderão auxiliar na quantificação e localização da assimetria para um planejamento cirúrgico mais preciso, já que tais informações não são obtidas a partir de métodos 2D. Portanto, esse avanço no diagnóstico pode vir a reduzir a necessidade de cirurgias exploratórias7. O posicionamento e a remodelação de ramos e côndilos após cirurgia para correção da Classe III em 19 pacientes, 11 tratados com avanço de maxila e recuo de mandíbula e 8 com avanço de maxila apenas, foram comparados através da superposição de modelos 3D. Verificou-se que a cirurgia combinada gerou maiores mudanças no posicionamento e remodelação das estruturas do que a cirurgia isolada. Além disso, o deslocamento posterior do ramo durante a cirurgia de recuo mandibular continuava presente um ano após a cirurgia, enquanto no grupo da maxila isolada foi observado movimento anterior dos ramos15. Em pacientes Classe II, as alterações nos côndilos, ramos e mento foram avaliadas através da superposição 3D em 20 casos de avanço mandibular isolado em pacientes retrognatas com padrão facial normal ou horizontal. Foram comparadas as fases pré-cirúrgica e pós-cirúrgica de 1 semana e 6 semanas, a última imediatamente após a remoção do splint cirúrgico. Foram observados importantes deslocamentos estruturais nos côndilos e ramos com o procedimento cirúrgico em alguns casos, além do planejado avanço do mento com aumento vertical do terço facial inferior nos pacientes braquicefálicos. Apesar de grandes variações individuais, observou-se, de forma geral,
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metodologia de superposição AUTOMATIZADA Exames tomográficos devem ser realizados nos pacientes nos diferentes tempos a serem avaliados (pré-cirúrgico, pós-cirúrgico imediato, acompanhamento a longo prazo, etc). O protocolo radiológico pode variar dependendo do equipamento utilizado. Para o desenvolvimento da presente metodologia, foi usado um scan de aproximadamente 30 segundos da cabeça com um campo de visão de 230mm x 230mm, obtido em
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utilizada como convenção para a base do crânio, enquanto as demais estruturas serão segmentadas em vermelho. As diferentes cores têm como função diferenciar as estruturas para os procedimentos de superposição e quantificação dos deslocamentos cirúrgicos. Softwares comerciais como o Dolphin Imaging 3D (Dolphin Imaging & Management Solutions, Chatsworth, Califórnia) e o InVivo (Anatomage, San Jose, Califórnia, EUA) exibem uma reconstrução rápida do tipo 3D rendering, uma projeção de imagem que permite apenas a visualização de estruturas 3D, de forma que a segmentação lenta de estruturas utilizada no presente método permite medições reais de alterações estruturais e deslocamentos de superfícies6,22. Com o objetivo de avaliar alterações no mesmo indivíduo, modelos de diferentes fases são, de fato, superpostos utilizando-se o software Imagine, que utiliza um método totalmente automático de registro por voxel, dispensando assim a necessidade de se localizar pontos que seriam influenciados pelo operador e pela superposição de estruturas. Como a base do crânio não é alterada pela cirurgia, suas superfícies são utilizadas nesse procedimento, onde o software compara, entre duas imagens
oclusão cêntrica com o tomógrafo NewTom 3G (Aperio Services LLC, Sarasota, FL, 34236). Uma reconstrução primária dos cortes tomográficos, com resolução de 0,3 x 0,3 x 0,3mm por voxel, é realizada pelo técnico em Radiologia imediatamente após a exposição. Como todo o volume 3D do complexo craniofacial é capturado durante esse tipo de exame, os cortes tomográficos podem ser obtidos com menor preocupação em relação à padronização do posicionamento da cabeça, diferentemente dos procedimentos 2D. Os arquivos de imagem das tomografias são então exportados através do software do tomógrafo em formato DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine), o formato universal para imagens de diagnóstico tomográfico médico-odontológico. Utilizando-se o software Imsel, os arquivos são convertidos para o formato GIPL, que é reconhecido pelos programas de acesso gratuito (http://www.ia.unc.edu/dev/ download/index.htm) descritos a seguir. Através do software Imagine, cada arquivo é reformatado para voxels de 0,5 x 0,5 x 0,5mm, reduzindo-se o tamanho dos arquivos aproximadamente pela metade, exigindo assim menor capacidade computacional e menor tempo de trabalho durante as fases da metodologia. O processo seguinte envolve a segmentação, que representa a reconstrução volumétrica das estruturas anatômicas visíveis nos cortes tomográficos. Para esse fim, é utilizado o software InsightSNAP, que possibilita, entre outras funções, a navegação através dos cortes tomográficos nos planos axial, sagital e coronal. A partir de mais de 300 cortes em cada plano, para cada tomografia é construído um modelo tridimensional constituído pela base do crânio, maxila e mandíbula (Fig. 1). É realizada a segmentação da base do crânio, incluindo, no sentido vertical, do seu limite anatômico inferior (Basion) até o limite superior da imagem tomográfica. Nos sentidos tranversal e anteroposterior, são selecionados todo o contorno esquelético disponível. A cor verde é
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Figura 1 - Segmentação do modelo tridimensional, incluindo base do crânio (verde) e complexo maxilomandibular (vermelho). As áreas segmentadas são visualizadas tanto nos cortes tomográficos quanto no modelo tridimensional.
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Esse procedimento tem como objetivo controlar o corte e seleção de regiões anatômicas de interesse para análise regional específica (Fig. 3). Com o objetivo de reduzir o espaço em disco das imagens, a partir desse momento descarta-se a exibição 3D da base do crânio, visualizando-se apenas maxila e mandíbula. Com os modelos combinados, utilizando-se o InsightSNAP, as regiões anatômicas de interesse das diferentes fases podem ser simultaneamente selecionadas, em diferentes cores das demais estruturas (Fig. 4). Referências anatômicas são utilizadas para determinar as regiões de corte: (1) o longo eixo dos caninos inferiores da fase pós-cirúrgica serve de referência para a seleção do mento; (2) uma tangente passando pelo contorno anterior dos côndilos e paralela ao bordo posterior do ramo serve de base para o corte dos ramos; e (3) uma linha descendente cortando o pescoço do côndilo a partir da interface com o corte do ramo é a referência utilizada para a seleção dos côndilos. Como os cortes são realizados simultaneamente nos modelos 3D combinados, a precisão da seleção das estruturas não é comprometida. Então, os voxels no mento são coloridos de azul; nos ramos, de verde e, nos côndilos, de amarelo.
tomográficas, a intensidade da escala de cinza de cada voxel da região que será segmentada em verde. Dessa forma, a base do crânio pré-cirúrgica é utilizada como referência para a superposição por pares com os demais tempos (Fig. 2). Em um passo seguinte, conhecido como combinação, os modelos das diferentes fases do mesmo paciente são superpostos ao mesmo tempo.
Figura 2 - Após o procedimento de superposição com o software Imagine, observa-se no InsightSNAP o modelo pós-cirúrgico (colorido) sobre a imagem tomográfica pré-cirúrgica (escala de cinza), com as bases do crânio coincidentes e as estruturas mandibulares deslocadas (avanço da mandíbula e mento). Comprova-se, então, uma correta superposição entre os modelos 3D das duas fases.
Figura 3 - Combinação dos modelos pré-cirúrgico e pós-cirúrgico de 1 semana, 6 semanas e 1 ano. Observa-se, nos cortes tomográficos e na exibição 3D, o avanço mandibular do modelo pré-cirúrgico para as fases pós-cirúrgicas.
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Figura 4 - Seleção das regiões anatômicas específicas no modelo combinado, a partir de referências anatômicas, possibilitando análises quantitativas e qualitativas dos deslocamentos cirúrgicos.
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As regiões anatômicas são posteriormente separadas como objetos 3D independentes, através do software Imagine, ainda que mantendo seu posicionamento espacial dentro da tomografia da qual foram originados (Fig. 5). Ou seja, cada região, de cada fase, de cada indivíduo, é preparada para comparações em pares, permitindo assim a avaliação da quantidade e direção dos deslocamentos acompanhando o procedimento cirúrgico. Com todas as estruturas devidamente segmentadas, registradas, combinadas e separadas por fase, dois formatos adicionais de arquivo são necessários para a visualização e quantificação das alterações cirúrgicas. A partir do software Vol2Surf, os arquivos em GIPL, tanto de todo o complexo maxilomandibular quanto das regiões anatômicas separadas, são convertidos para formatos .IV e .META, de forma que todos os volumes são transformados em superfícies. O primeiro formato permite o uso dos arquivos no software MeshValmet, onde são realizadas análises quantitativa e qualitativa (método dos mapas coloridos), enquanto o segundo permite sua utilização no software FltkSOV3Dtool, onde é realizada a análise qualitativa pelo método das semitransparências. Tais programas permitem uma análise de imagens com funções de aumento, diminuição e rotação das superposições 3D, permitindo ao operador inspecionar o comportamento dos deslocamentos estruturais de diversas formas. Através do software MeshValmet, são calculadas automaticamente as distâncias entre as superfícies de uma estrutura entre dois tempos e no mesmo indivíduo, permitindo a quantificação dos deslocamentos resultantes de cirurgia mandibular (ramos, côndilos e mento), maxilar ou combinada (Fig. 6). A exibição gráfica das estruturas superpostas segue uma escala de cores, também conhecida como mapas coloridos, de acordo com a magnitude do deslocamento daquela região. Faz-se a comparação respeitando-se a ordem (B A) que exibe como referência a anatomia ou contorno
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Figura 5 - Da esquerda para direita, a visualização dos modelos em 3D, cortes coronal, axial e sagital após a separação das regiões anatômicas específicas.
Figura 6 - Exemplo da tela do programa MeshValmet durante a medição do deslocamento do mento de um paciente entre as fases pré e pós-cirúrgica, mostrando as distâncias entre as superfícies (valores do histograma) e a direção do deslocamento (imagem à direita). É importante destacar que, no modelo 3D superposto (à direita), observa-se como referência a anatomia ou contorno externo pós-cirúrgico, onde o mapa colorido mostra o comportamento do deslocamento.
externo do segundo tempo em análise, com as cores mostrando as diferenças do primeiro tempo para esse. As superfícies exibidas em vermelho mostram um deslocamento “para fora” e assumem valores positivos no histograma das distâncias entre as superfícies; as superfícies em azul indicam um deslocamento “para dentro”, com valores negativos; e superfícies em verde indicam ausência de deslocamento de determinada região. A tonalidade da cor está associada à magnitude do deslocamento (Fig. 7).
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vista lateral
vista medial
Figura 7 - Exemplo da visualização do deslocamento de um côndilo direito, antes e após a cirurgia, através do método dos mapas coloridos. As superfícies em vermelho indicam que ocorreu um deslocamento posterior, superior e medial, de forma que as superfícies opostas se encontram em azul (A = anterior, P = posterior).
vista anterior
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vista lateral
vista medial
Figura 8 - Visualização dos deslocamentos do mesmo côndilo exibido na Figura 7 através de semitransparências no software FltkSOV3Dtool (pré-cirúrgico em branco e pós-cirúrgico em vermelho).
B
A
Figura 9 - Visualização de maxila e mandíbula em uma superposição entre as fases pré e pós-cirúrgica com o método dos mapas coloridos (A) e com o método das semitransparências (B). Uma observação mais ampla das alterações cirúrgicas facilita a aferição dos deslocamentos locais em côndilos, ramos e mento. A) Avanço do mento e corpo mandibular exibido em vermelho (movimento “para fora”), além de torque do ramo direito (movimento lateral do ramo em vermelho e medial do pescoço condilar em azul). B) Superposição entre os modelos pré-cirúrgico (branco sólido) e de uma semana após a cirurgia (vermelho transparente) exibindo os deslocamentos do mento, corpo mandibular, ramo e côndilo em uma vista lateral.
Para proporcionar um melhor entendimento das alterações cirúrgicas, são utilizadas tanto as superposições isoladas de cada região específica (Fig. 8) como de todo o complexo maxilomandibular (Fig. 9). As figuras 10, 11 e 12 exibem superposições de modelos 3D de pacientes submetidos ao avanço mandibular para correção do retrognatismo, destacando importantes achados esqueléticos a partir desse método.
A utilização de outra ferramenta (FltkSOV3Dtool) permite uma diferente visualização das alterações cirúrgicas, através de semitransparências da superposição de modelos de duas fases. Esse tipo de visualização identifica claramente a localização, magnitude e direção dos deslocamentos. À primeira vista, esse método parece ser mais rapidamente assimilado pelo clínico, mas fornece apenas uma análise qualitativa, sem a geração de dados numéricos.
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C
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Figura 10 - Superposições entre modelos pré-cirúrgico e pós-cirúrgico de uma semana (A), pós-cirúrgico de uma semana e seis semanas (B) e précirúrgico e pós-cirúrgico de seis semanas (C) de um caso de avanço mandibular isolado. Observa-se movimento posterior do mento indicando recidiva em B, de forma que a superposição C representa um avanço total menor que o verificado na superposição A, quando comparadas a área e a tonalidade das superfícies em vermelho. Mesmo assim, os modelos superpostos em C parecem mostrar um bom posicionamento maxilomandibular seis semanas após a cirurgia, indicando que o movimento posterior do mento foi suave. Uma avaliação dos ramos mostra algum movimento lateral em A, um deslocamento adaptativo para medial em B e superfícies verdes em C, sugerindo retorno à posição inicial.
A
B
A
B
C
D
C
D
Figura 11 - Exemplo de um caso de avanço da mandíbula e do mento com excelente estabilidade. A) Pré-cirúrgico x pós-cirúrgico de uma semana; B) pós-cirúrgico de uma semana x pós-cirúrgico de seis semanas; C) pós-cirúrgico de seis semanas x pós-cirúrgico de um ano; D) pré-cirúrgico x póscirúrgico de um ano. Comparando-se as superposições com mapas coloridos (esquerda) e semitransparências (direita) entre A (T1 em branco e T2 em vermelho) e D (T1 em branco e T4 em vermelho), nota-se que, apesar de pequenos deslocamentos dos ramos e côndilos, as alterações com a cirurgia se mantiveram estáveis após um ano de acompanhamento. As superposições B (T2 em branco e T3 em vermelho) e C (T3 em branco e T4 em vermelho) exibem pequenas alterações entre as fases na região anterior, com algum movimento posterior em B. Além desse caso não ter sofrido alteração vertical significativa, sabe-se que a mentoplastia é um procedimento auxiliar altamente estável.
Apesar do exame de ressonância magnética ser mais indicado para a visualização de tecidos moles e da tomografia computadorizada médica oferecer melhor contraste de imagem entre tecidos duros e moles, modelos 3D dos tecidos moles da face podem ser reconstruídos com menor custo e radiação que tais métodos, e ainda fornecer importantes informações da resposta estética facial aos movimentos cirúrgicos.19 As figuras 13, 14 e 15
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exibem segmentações, superposições pelo método das semitransparências e dos mapas coloridos de um paciente Classe III submetido a avanço maxilar e recuo mandibular. Algumas imperfeições nas imagens podem ser observadas, decorrentes de fatores como: cortes no tamanho da imagem (campo de visão do tomógrafo), baixo contraste do exame para cartilagens (orelhas), movimentação da cabeça durante a aquisição, inchaço do
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Figura 12 - Exemplo de um caso de avanço da mandíbula isolado, exibindo superposições com mapas coloridos (esquerda) e semitransparências (direita). A) pré-cirúrgico x pós-cirúrgico de uma semana; B) pós-cirúrgico de uma semana x pós-cirúrgico de seis semanas; C) pós-cirúrgico de seis semanas x póscirúrgico de um ano; D) pré-cirúrgico x pós-cirúrgico de um ano. A superposição A mostra que foi obtido maior movimento vertical do que anteroposterior com a cirurgia, já que o paciente apresentava pouco overjet e planejava-se uma melhoria da altura facial. Nota-se também, em A, um extenso deslocamento posterior dos ramos e côndilos com a cirurgia, ocorrendo um movimento anterior total após a remoção do splint cirúrgico (B), ilustrado nos mapas coloridos por superfícies do mento em vermelho e superfícies do ramo em azul. Em C, são ilustradas as superposições entre o pós-cirúrgico de seis semanas e de um ano, com poucas alterações, ainda que sugerindo deslocamento anterior mandibular, possivelmente relacionado à remodelações e/ou reabsorções ósseas. Em D, ressalta-se os deslocamentos anterior e inferior do mento, e a manutenção de parte do movimento posterior dos ramos e côndilos.
Figura 13 - Modelos 3D exibindo o contorno dos tecidos moles de um paciente apresentando Classe III esquelética com prognatismo mandibular, deficiência do terço médio da face, incompetência labial com o lábio inferior hipotônico e evertido (acima). Abaixo, observam-se as alterações em tecidos moles após seis semanas, decorrentes da cirurgia de avanço maxilar e recuo mandibular.
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Superposição automatizada de modelos tomográficos tridimensionais em cirurgia ortognática
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Figura 14 - Superposições 3D na forma de semitransparências exibindo as alterações dos tecidos moles entre as fases pré-cirúrgica (branco) e póscirúrgica (vermelho) de uma semana (à esquerda), e entre a pré-cirúrgica (branco) e a pós-cirúrgica (vermelho) de seis semanas (à direita). Nota-se importantes alterações faciais decorrentes dos deslocamentos esqueléticos (com maior inchaço pós-cirúrgico em A) como arrebitamento nasal e projeção do lábio superior pelo avanço maxilar, melhor postura do lábio inferior seguindo o recuo mandibular, e melhor projeção do mento mole.
Figura 15 - Superposições 3D na forma de mapas coloridos exibindo as alterações dos tecidos moles entre as fases pré-cirúrgica e pós-cirúrgica de uma semana (acima) e entre pré-cirúrgica e pós-cirúrgica de seis semanas (abaixo). O avanço maxilar e do mento aparece em vermelho e o recuo mandibular em azul, com maior inchaço facial uma semana após a cirurgia. As vistas frontais mostram importantes alterações no terço médio da face, com ganho anteroposterior e alargamento da base nasal. A região cervical mostra, em azul, os artefatos por alteração da posição da cabeça em diferentes aquisições no tomógrafo NewTom 3G, onde o paciente fica deitado sobre um travesseiro.
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do tempo promovidas do tratamento. Diversos softwares comerciais possibilitam a reconstrução rápida de um modelo 3D a partir dos cortes tomográficos (3D rendering), muito útil para uma observação clínica do esqueleto craniofacial6,22. Entretanto, esse tipo de reconstrução tridimensional tem apenas a finalidade de visualização. A superposição de modelos 3D descrita requer a segmentação de um modelo de superfície real, apresentando volume interno e superfícies tridimensionais que podem ser comparadas em diferentes tempos de observação. A visualização dos modelos 3D superpostos e o cálculo das distâncias entre superfícies exibem de forma clara a localização, magnitude e direção das rotações mandibulares durante a cirurgia, permitindo, mais especificamente, a quantificação dos movimentos anteroposteriores, transversos e verticais das estruturas anatômicas envolvidas na cirurgia ortognática3,19. Além de ser válido para pesquisa, esse método parece ter grande valor clínico para análise individual de casos ortocirúrgicos de rotina ou, ainda, para os mais complexos, e pode ter interessante utilidade no ensino da Ortodontia e Cirurgia Bucomaxilofacial. As maiores limitações para a realidade brasileira ainda são os custos do equipamento de CBCT e, tecnicamente, o tempo e o expertise necessários para se trabalhar com modelos 3D. A geração das imagens tridimensionais, a superposição e comparação das superfícies demandam tempo operacional, computadores voltados para manipulação de imagens, grande capacidade de armazenamento e utilização de diversos programas. Todos os softwares utilizados estão disponíveis gratuitamente e a maioria sofre constante atualização. A tendência é que ocorra a compilação de diferentes funções, atualmente realizadas por diferentes ferramentas, em um mesmo programa mais completo e de fácil manuseio, que se torne mais atraente para o usuário e reduza o tempo de trabalho. Métodos de planejamento 3D e monitoramento computadorizado do procedimento
rosto na aquisição apenas uma semana após o procedimento cirúrgico, artefatos metálicos dos braquetes, e artefatos cervicais pelo posicionamento do paciente, que fica deitado sobre um travesseiro, característica do tomógrafo NewTom 3G. DISCUSSÃO Embora a tomografia computadorizada venha sendo utilizada há alguns anos para avaliação de discrepâncias esqueléticas complexas e casos cirúrgicos13,23,29, vários são os desafios de sua aplicabiliade clínica. A presente metodologia representa alternativas a alguns desses desafios, ao utilizar: (1) doses relativamente baixas de radiação, característica da CBCT, com dosagem comparável ao exame radiográfico periapical completo16; (2) avançados métodos de análise de imagem, calculando distâncias entre as superfícies anatômicas na medição de alterações com o tratamento, não dependendo da localização de pontos anatômicos em 3D, que são mais suscetíveis a erros3,4; (3) softwares desenvolvidos com finalidade de pesquisa, que estão disponíveis para uso público, e (4) modelos de superfície ao invés de 3D rendering, permitindo medições de alterações estruturais. O método de superposição automatizada3,4 representa um avanço comparado àquele que envolve passos manuais13, já que o primeiro baseia-se em um registro totalmente automático que reconhece a escala de cinza dos voxels da base do crânio, não dependendo do operador; enquanto o segundo depende do observador para superpor e girar a tomografia pós-cirúrgica até que as referências anatômicas sejam posicionadas sobre as referências correspondentes no modelo pré-cirúrgico. Além disso, com o método descrito é possível, utilizando-se apenas a base anterior do crânio ao invés de sua superfície total, realizar a superposição de modelos de pacientes jovens para verificar alterações com o crescimento5. Um dos grandes desafios na utilização de imagens 3D geradas pela CBCT é a compilação e adaptação de softwares para a construção dos modelos 3D e avaliação das mudanças ao longo
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cirúrgico podem representar um futuro avanço no controle das variáveis que influenciam o deslocamento e reposicionamento das estruturas em cirurgia ortognática, permitindo, através de marcadores metálicos posicionados no splint cirúrgico, um registro do paciente com o seu respectivo modelo 3D criado a partir de tomografia computadorizada. Os movimentos maxilares podem ser monitorados em tempo real, verificando, por exemplo, a quantidade de impacção e avanço maxilar na tela do computador durante a cirurgia, com a vantagem de ter como referência estruturas fixas como a base do crânio8. A aplicação das superposições tridimensionais não se limita aos tratamentos cirúrgicos, já que, utilizando-se a base do crânio como referência, alterações com o crescimento ou com o tratamento ortodôntico-ortopédico também podem ser avaliadas. Recentes aplicações do método visam avaliar alterações de tecidos moles com o tratamento, alterações de forma de arcadas dentárias diante de mecânicas ortodônticas, análise volumétrica das vias aéreas superiores ou, ainda, a possibilidade de planejamento virtual do tratamento.
CONCLUSÃO A utilização de exames tomográficos e imagens tridimensionais em Ortodontia e Cirurgia Buco-Maxilofacial é muito promissora, pois supera muitas limitações dos métodos radiográficos convencionais. Além de não apresentar magnificações e sobreposições de estruturas, o que torna os procedimentos de mensuração mais precisos e realistas, a geração de modelos 3D a partir de cortes tomográficos disponibiliza ao clínico uma grande quantidade de informações. O método de superposição 3D apresentado permite a avaliação de importantes deslocamentos estruturais cirúrgicos e da estabilidade em curto e longo prazos. Apesar de requerer treinamento, tempo, expertise e suporte de informática, parece ter grande validade em sua aplicação clínica, científica e no ensino ortodôntico e cirúrgico. Agradecimentos Aos professores Martin Styner e Guido Gerig, do Departamento de Ciências da Computação da UNC, por todo o suporte durante o desenvolvimento e aplicação da metodologia.
Superimposition of 3D cone-beam CT models in orthognathic surgery Abstract Introduction: Limitations of 2D quantitative and qualitative evaluation of surgical displacements can be overcome by CBCT and three-dimensional imaging tools. Objectives: The method described in this study allows the assessment of changes in the condyles, rami, chin, maxilla and dentition by the comparison of CBCT scans before and after orthognathic surgery. Methods: 3D models are built and superimposed through a fully automated voxelwise method using the pre-surgery cranial base as reference. It identifies and compares the grayscale of both three-dimensional structures, avoiding observer landmark identification. The distances between the anatomical surfaces pre and post-surgery are then computed for each pair of models in the same subject. The evaluation of displacement directions is visually done through color maps and semi-transparencies of the superimposed models. Conclusions: It can be concluded that this method, which uses free softwares and is mostly automated, shows advantages in the long-term evaluation of orthognathic patients when compared to conventional 2D methods. Accurate measurements can be acquired by images in real size and without anatomical superimpositions, and great 3D information is provided to clinicians and researchers. Keywords: Cone Beam Computed Tomography. 3D image. Computer-assisted surgery. Computer simulation. Orthodontics. Oral surgery.
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Enviado em: outubro de 2008 Revisado e aceito: maio de 2009
Endereço para correspondência Alexandre Trindade Simões da Motta Av. das Américas, 3500 – Bloco 7/sala 220, Barra da Tijuca CEP: 22.640-102 – Rio de Janeiro/RJ E-mail: alemotta@rjnet.com.br
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