Associazione Italiana per l Analisi delle Sollecitazioni (AIAS) XXXVI Convegno Nazionale 4-8 Settembre 2007 Università degli Studi di Napoli Federico II Seconda Università degli Studi di Napoli METODOLOGIE INNOVATIVE PER LA PROGETTAZIONE DI ALLINEATORI DENTALI M. Lo Sapio a, S. Gerbino b, M. Martorelli a a Dipartimento di Meccanica Strutture Ambiente e Territorio, Università degli Studi di Cassino, Via G. Di Biasio, 03044 Cassino (Fr), e-mail: m.losapio@unicas.it, m.martorelli@unicas.it b Dipartimento S.A.V.A. Divisione di Ingegneria e Ambiente, Università degli Studi del Molise, e-mail: salvatore.gerbino@unimol.it Parole chiave: allineatori dentali, scansioni, pianificazione virtuale Abstract Lo sviluppo di pacchetti software rivolti ad applicazioni specifiche in campo medico, rappresenta una valida opportunità per l automazione di procedure che un tempo erano manuali. I vantaggi si riscontrano sia in una notevole riduzione dei tempi che in un incremento della precisione. Nel presente lavoro viene proposto un nuovo approccio alla progettazione di allineatori dentali correttivi mobili, impianti ortodontici realizzati su misura, indossati dai pazienti per correggere una malocclusione senza l utilizzo dei tradizionali attacchi ortodontici (brackets). Il processo ha inizio con l acquisizione dei dati anatomici relativi ad una particolare dentatura e si svolge completamente in virtuale. Il dentista, unico protagonista nel processo di allineamento dei denti, interagisce con un interfaccia grafica sviluppata in ambiente CAD Rhinoceros. I comandi sviluppati sulla piattaforma consentono di controllare l esatta posizione di ogni dente (movimenti, rotazioni, curve di riferimento, secondo la pratica dentistica). Una volta che è stata raggiunta la posizione finale dei denti, ne viene eseguita un impronta virtuale in ambiente CAD ed il modello che ne deriva, può essere realizzato attraverso tecniche di prototipazione rapida. Introduzione Dalla definizione del prototipo concettuale alla vera e propria produzione di massa, le tecniche di progettazione e di produzione assistita dal calcolatore (CAD/CAM) offrono evidenti vantaggi rispetto ai metodi tradizionali sia in termini di tempi che di accuratezza. Gli sforzi effettuati per trasferire queste tecnologie anche in campo medico hanno consentito di migliorare procedure ben consolidate da anni, ponendo in alcuni casi, le basi per la corretta messa in pratica di soluzioni ed idee innovative che non erano risultate applicabili in passato a causa della mancanza di strumenti e metodologie adeguati [1].
Nell ambito delle proposte per lo sviluppo di nuove soluzioni relative agli apparecchi ortodontici fissi, nello scorso decennio sono stati pubblicati articoli e commercializzati software che affrontano il problema di supportare il corretto posizionamento degli attacchi metallici (brackets) sui denti [2]. Il posizionamento ottimale può essere raggiunto sia attraverso il bonding diretto, con un sistema di tracking che mostra la posizione corretta, coerentemente con un set-up virtuale precedentemente stabilito [3], oppure attraverso un bonding indiretto che fa uso di tracce (mascherine) personalizzate da applicare sui denti e che incorporano i brackets da rilasciare una volta posizionate [4]. Sul fronte delle metodologie per la messa a punto degli apparecchi dentali mobili, sono stati compiuti enormi passi in avanti rispetto alle prime idee originariamente sviluppate da alcuni studiosi intorno alla metà del secolo scorso. Allineare una dentatura attraverso apparecchi ortodontici che fossero in grado di procurare piccoli movimenti sequenziali senza l utilizzo di bande, fili e attacchi ortodontici, fu un concetto sviluppato per la prima volta da Kesling cinquanta anni fa [5]. Uno dei limiti che impedirono a questi applicativi di diventare un nuovo standard in ortodonzia, fu la mancanza di un chiaro quadro di riferimento che raffigurasse la dentatura iniziale e, passo dopo passo, le posizioni finali dei denti allineati. Negli ultimi anni si è registrato un crescente interesse per i trattamenti ortodontici rivolti a pazienti adulti. Questo grazie a nuove terapie che si prefiggono l obiettivo di raddrizzare i denti senza utilizzare i tradizionali apparecchi costituiti da attacchi metallici o ceramici che, fissati ai denti, vengono agganciati da strumenti meccanici. Probabilmente il più noto, il metodo conosciuto come Invisalign viene incontro ai crescenti requisiti estetici in ortodonzia attraverso apparecchi che sono realizzati su misura ed invisibili. Le sottili mascherine di plastica, rimovibili e difficili da rilevare ad occhio, forniscono evidenti vantaggi di carattere estetico, semplicità di cura e un miglior controllo dell'igiene orale [6,7]. Da un punto di vista procedurale, il trattamento viene pianificato attraverso la progettazione di una serie di apparecchi ortodontici da applicare al paziente in maniera sequenziale: l approccio è di tipo collaborativo e vede impegnati da un lato il dentista e dall altro la Invisalign Technology. La seconda riceve un impronta della dentatura eseguita dal primo, insieme ad altro materiale radiografico e fotografico, ed attraverso uno scanner, converte l originario modello in gesso in una versione digitale della dentatura del paziente. A questo punto i denti possono essere movimentati e quindi allineati, mentre l ortodonzista, dal suo canto, si incarica meramente di verificare ed approvare i passi di riposizionamento decisi e poi mostratigli da Invisalign, a seconda della sua prescrizione iniziale. Un nuovo approccio Il metodo Invisalign sopra menzionato, rappresenta un processo completamente gestito dall azienda: nessun modello virtuale è fornito al dentista al quale viene soltanto consentito di aggiungere variazioni al set-up creato dai tecnici Invisalign presso la loro sede negli Stati Uniti. D altro canto, l idea degli autori è che coinvolgere gli ortodonzisti nelle fasi di posizionamento dei denti, spingerli a creare i loro personali set-up per allineare gradualmente una dentatura che presenti sporgenze e sovrapposizioni, possa contribuire ad una maggiore consapevolezza riguardo ai loro originari intenti diagnostici. Così, oltre ad avere la possibilità di raggiungere risultati finali migliori, anche la comunicazione dottorepaziente ne risulterebbe avvantaggiata. Di conseguenza è stato posto un notevole sforzo nella progettazione di un pacchetto che presentasse una elevata facilità di utilizzo, dal momento che occorre del tempo per familiarizzare con i sistemi nuovi e che, a volte, la
complessità di questi ultimi può indurre diffidenza o addirittura rigetto in nuovi potenziali utenti. Viene qui proposto un nuovo applicativo software che, basato sulle funzionalità di un CAD, è stato sviluppato per aiutare gli ortodonzisti a progettare e valutare (esteticamente, quantitativamente) possibili soluzioni e scenari volti a portare i denti nel migliore allineamento reciproco. Una volta che i denti sono stati mossi a seconda del risultato desiderato, delle mascherine rimovibili e trasparenti sono dapprima modellate automaticamente sulla piattaforma CAD e alla fine realizzate usando macchine di prototipazione rapida. L applicativo funziona attraverso un interfaccia semplice da utilizzare, che nasconde le operazioni geometriche e di modellazione tridimensionale implementate all interno del CAD. L utente finale interagisce con un insieme di comandi sviluppati ad hoc e per questo rapidi ed intuitivi. Acquisizione dei dati del paziente Gli autori ritengono che la fase di rilevamento dell impronta dentale di un paziente possa essere evitata e sostituita con una procedura semi-automatica che consenta di acquisire le informazioni anatomiche necessarie attraverso una Tomografia Computerizzata. Dalla loro comparsa durante gli anni settanta, questo tipo di scanner ha migliorato l efficienza delle radiazioni utilizzate e la loro risoluzione spaziale ad un livello che ha permesso lo sviluppo di nuove indagini diagnostiche, rendendo allo stesso tempo questo tipo di macchinari sempre più comuni. Le informazioni tridimensionali sulla densità spaziale degli organi e dei tessuti attraversati dalle radiazioni possono essere ricostruite geometricamente e poi visualizzate utilizzando le potenzialità della piattaforma nota come VTK (Visualization Toolkit). Questa collezione di librerie è disponibile gratuitamente in rete ed è open source. Si può liberamente installare e configurare a seconda delle proprie esigenze [8]. VTK supporta un ampia gamma di algoritmi di visualizzazione ed è utilizzato da migliaia di ricercatori e di sviluppatori software in tutto il mondo. Anche qui è possibile sviluppare piattaforme personalizzate e (semi)automatiche che funzionano attraverso le stesse librerie e gli stessi codici sorgenti, ma sono molto più semplici da utilizzare (Fig. 1). Fig. 1: L interfaccia consente di specificare i valori di densità delle strutture che si intendono isolare ed esportare in un formato compatibile con il CAD
Nel caso specifico la piattaforma personalizzata che è stata messa a punto, è servita, oltre a ricostruire tridimensionalmente i dati anatomici, anche ad isolare le porzioni d interesse (Fig. 2). Fig. 2: Gengiva e denti messi in evidenza attraverso il tool di segmentazione Descrizione del tool Il tool è stato implementato per lavorare all interno di un CAD commerciale (Rhinoceros V3.0 by McNeel) che è relativamente semplice da automatizzare e le cui operazioni di modellazione geometriche sono quasi tutte scriptabili. Per il presente progetto è stato possibile accedere all oggetto predefinito RhinoScript dall ambiente di sviluppo Delphy. Il processo inizia nel momento in cui l interfaccia di programmazione ed il CAD sono stati connessi e possono interagire attraverso l insieme de comandi creati in Delphy. Il primo passo consiste nella scelta dell arcata dentaria su cui lavorare e nell etichettare i denti secondo una numerazione progressiva, coerentemente con la classificazione standard usata nella pratica ortodontica (Fig. 3). Fig. 3: Identificazione dei denti Quando si movimentano i denti in un ambiente virtuale, è preferibile avere un riferimento chiaro e preciso. Gli ortodonzisti possono orientarsi tracciando una curva guida lungo la quale la dentatura dovrebbe essere allineata. La curva può essere interattivamente modificata attraverso i suoi punti di controllo.
I denti possono essere selezionati individualmente e movimentati lungo, o ruotati attorno, i tre assi cartesiani attraverso un set intuitivo di comandi che consentono sia movimenti veloci sia spostamenti più precisi o regolabili. È possibile misurare distanze e verificare eventuali intersezioni tra i denti (Fig. 4). Fig. 4: Movimento dei denti I denti possono essere spostati gradualmente, attraverso un numero di passi sequenziali che partono dalla configurazione iniziale e portano al set-up finale. Una volta che si ritiene di aver raggiunto uno step intermedio, per raggiungere il quale occorre applicare al paziente una mascherina, il file della dentatura corrispondente può essere salvato nella cartella del progetto in formato STL. La mascherina che rappresenta l apparecchio ortodontico vero e proprio, può essere modellata adattandola al modello in STL ad ogni configurazione raggiunta. Infatti, il modello della dentatura in formato STL può essere usato per costruire un modello reale, attraverso tecniche di RP. Un film sottile di resina biocompatibile può essere infine depositato su quest ultimo, ottenendo così l allineatore. La sequenza di passi che l ortodonzista ha deciso di percorrere per curare una malocclusione può essere poi visualizzata alla fine del processo di allineamento, attraverso una rappresentazione animata di quello che è stato pianificato passo dopo passo. Ad ogni step viene modellata una gengiva virtuale che costituisce il limite inferiore dell allineatore. Quest ultimo task di modellazione è interattivo nel senso che l utente determina la forma della gengiva, selezionando i suoi punti di controllo. Ogni gengiva virtuale è modellata sulla superficie creata allo step precedente, mentre la prima viene strutturata sul modello STL di partenza (Fig. 5). Fig. 6: Modellazione della gengiva virtuale
Conclusioni e studi futuri La piattaforma progettata consente agli ortodonzisti di creare e valutare, in ambiente virtuale, configurazioni differenti e possibili soluzioni per allineare una dentatura attraverso una serie di passi pianificati. Essa non richiede alcuna esperienza nella modellazione geometrica e funziona attraverso un interfaccia grafica intuitiva. Rispetto ad altri sistemi basati sul CAD-CAM, si propone di rendere gli ortodonzisti e i dentisti completamente indipendenti dalla necessità di condividere file o di spedire materiale diagnostico. Una volta che è disponibile una scansione dentale, la prescrizione può essere seguita in modo indipendente e il risultato desiderato simulato per mostrare come la dentatura stessa apparirà alla fine del processo, prima della realizzazione delle protesi. Studi futuri saranno incentrati sull integrazione di funzionalità sempre più estese sulla medesima piattaforma. L intenzione è quella di raggruppare su di un unico framework sia l acquisizione e la ricostruzione dei dati anatomici, sia la simulazione del trattamento ortodontico in virtuale. Algoritmi di Computer Graphics e appropriati strumenti di modellazione CAD potrebbero essere connessi sulla stessa piattaforma creando così una catena di distribuzione completamente digitale nel campo dell ortodonzia. Metodi di progettazione avanzati e nuove tecnologie per lo sviluppo di soluzioni personalizzate possono essere impiegati in medicina, apportando potenziali vantaggi ai trattamenti diagnostici in termini di standard di qualità ed affidabilità. Bibliografia [1] R. Bibb, Medical Modelling, Chapter 1, Woodhead Publishing, Cambridge, 2006. [2] W. J. Redmond, M. J. Redmond, W. R. Redmond, The OrthoCAD bracket placement solution, American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics May,645-646, 2004. [3] W. R. Redmond, The cutting Edge, Volume XXXIX Number 11, JCO Technology Editor, 2005. [4] R. Raffaeli, M. Germani, F. Mandorli, Innovative technologies to support positioning of corrective appliances in orthodontic treatments, Proceedings of the 14 th IASTED International Conference Applied Simulation And Modelling, Benalmadena, Spain, 2005. [5] HD Kesling, The philosophy of the tooth positioning appliance, Am J Orthod, 31: 297 304,1945. [6] B. Aristides, Advances in digital technology and orthodontics: a reference to the Invisalign method, Med Sci Monit, 11(5): 39-42, 2005. [7] H. W. Benson, Invisalign A to Z, American Journal of Orthodontics, 121(5), 540-541, 2002. [8] M. Viceconti, L. Astolfi, A. Leardini, S. Imboden, M. Petrone, P. Quadrani, F. Taddei, D. Testi, C. Zannoni, The Multimodal Application Framework, Eighth International Conference on Scientific Visualization, pp.15-20, 2004.