UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ODONTOLOGIA PPG EM CLÍNICA ODONTOLÓGICA DANIEL AMARAL ALVES MARLIÈRE AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA ENTRE O PLANEJAMENTO ASSISTIDO POR COMPUTADOR E RESULTADOS OBTIDOS EM CIRURGIA ORTOGNÁTICA: ESTUDO RETROSPECTIVO JUIZ DE FORA 2018 DANIEL AMARAL ALVES MARLIERE AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA ENTRE O PLANEJAMENTO ASSISTIDO POR COMPUTADOR E RESULTADOS OBTIDOS EM CIRURGIA ORTOGNÁTICA: ESTUDO RETROSPECTIVO Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Clínica Odontológica, da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Ju iz de Fora, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Clínica Odontológica. Área de concentração em Clínica Odontológica Orientador: Prof. Dr. Henrique Duque de Miranda Chaves Netto JUIZ DE FORA 2018 DANIEL AMARAL ALVES MARLIERE AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA ENTRE O PLANEJAMENTO ASSISTIDO POR COMPUTADOR E RESULTADOS OBTIDOS EM CIRURGIA ORTOGNÁTICA: ESTUDO RETROSPECTIVO Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Clínica Odontológica, da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Juiz de Fora, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Clínica Odontológica. Área de concentração em Clínica Odontológica Aprovada em: __/__/____ BANCA EXAMINADORA _________________________________________________________________ Prof. Dr. Henrique Duque de Miranda Chaves Netto Faculdade de Odontologia – Universidade Federal de Juiz de Fora ___________________________________________________________________ Prof. Dr. Matheus Furtado de Carvalho Curso de Odontologia - Instituto Ciências da Vida - UFJF – Campus GV ___________________________________________________________________ Prof. Dr. Pietro Mainenti Faculdade de Medicina – Universidade Presidente Antônio Carlos – UNIPAC/JF DEDICATÓRIA Ao maior bem que carrega a humanidade, DEUS! Àqueles que compartilham a vida, familiares e amigos! Àqueles que me acompanham nessa jornada! AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a Deus pela oportunidade de me conduzir por mais uma etapa na vida profissional. Aos meus pais e irmãos, que me apoiaram na longa caminhada da vida, me deram suporte para alcançar vários objetivos na vida pessoal e profissional. Reconheço por tudo que me ajudaram. E, sou muito grato por tudo! Aos amigos da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Juiz de Fora (Franciele Verner, Rafael Binato, Andressa Vieira, Yasmine Appes), que permanecem desde os tempos de graduação e vibram com os sucessos mútuos na vida. Aos Professores e amigos do Hospital Universitário Pedro Ernesto da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, minha residência pelo período de 2011 a 2014, onde pude realmente me tornar um profissional com bagagem técnica e vivência em Cirurgia Buco-Maxilo-Facial. Ao amigo e Orientador Professor Henrique Duque Netto, que confiou no desenvolvimento deste trabalho, na execução de planejamentos das diversas cirurgias executadas, e principalmente, contribuiu com minha formação profissional. Ao amigo Maurício Demétrio, que possibilitou a realização da ideia e disponibilizou os programas computacionais para execução do trabalho. Aos colegas da Prefeitura de Guarará – MG, que me apoiaram e entenderam algumas ausências na Equipe de Saúde da Família em 2017, para que eu pudesse concluir esta etapa. Ao amigo Wesley Costa, que fez entender que a simplicidade é capaz de permitir repensar sobre as possibilidades e alternativas mesmo quando as dificuldades se fazem presentes ou a vida se apresenta com largo sorriso. Aos amigos e colegas da 10º turma do Mestrado em Clínica Odontológica da Universidade Federal de Juiz de Fora, onde compartilhamos aprendizados, ensinamentos e experiências pessoais e profissionais, que com certeza enriqueceram a vida de cada um. Aos funcionários da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Juiz de Fora, que sempre estão disponíveis para nos auxiliarem. Aos Professores do Programa de Pós-graduação em Clínica Odontológica da Faculdade de Odontologia, que se dedicam a Pesquisa, mesmo nas dificuldades em diversos aspectos educacionais no nosso país. RESUMO Objetivo: este estudo retrospectivo avaliou a acurácia entre os resultados obtidos e o planejamento assistido por computador (PAC) em cirurgia ortognática por meio do uso de modelos de superfície tridimensionais (3D) para aplicação em algoritmo de proximidade iterativa de pontos (PIP) e produção de mapas de cores por meio de programa computacional de engenharia reversa. Material e Métodos: a partir de arquivos de tomografia computadorizada cone-beam (TCFC) de 25 pacientes submetidos à cirurgia ortognática bimaxilar, foram gerados modelos 3D do PAC e pós-operatório em formato de arquivos STL (M0 e M1, respectivamente). Os M0 e M1 foram importados para programa computacional Geomagic Wrap, sendo aplicada a função de registro por meio do algoritmo PIP para alinhamento automático e cálculos dos desvios médios (MD, MD +, MD -, SD) e quadrado médio da raiz (RMS). Os mapas de cores foram gerados para avaliar a congruência qualitativa entre M0 e M1. A partir da análise dos desvios, os RMS(s) foram definidos como ‘3D Error’ que foi utilizado como indicador de mensuração de acurácia. As características da amostra foram apresentadas por análises de estatística descritiva. Para avaliar a reprodutibilidade do método, o fluxo de trabalho foi realizado por dois avaliadores independentes. Os testes t foram utilizados para avaliar as médias de MD, MD +, MD-, SD e ‘3D Error’, segundo a hipótese de todos os valores fossem menores ou igual a - 2 mm e maiores ou igual a 2 mm. Resultados: foram encontradas altas correlações intra e inter-avaliadores, favorecendo a reprodutibilidade do fluxo de trabalho no Geomagic Wrap. Testes t rejeitaram a hipótese de que os valores MDs e ‘3D Error’ eram menores que - 2 mm e maiores que 2 mm. Conclusão: este estudo apresentou a média de ‘3D Error’ (1,27 mm) estava dentro dos padrões de sucesso clínico inferior a 2 mm. O algoritmo PIP no Geomagic Wrap forneceu um método reprodutível para relacionar as malhas de superfície dos modelos 3D, e mapas de cores foram gerados para avaliar a congruência 3D. No entanto, não há respostas para todos os parâmetros metodológicos em relação à avaliação da acurácia em cirurgia ortognática. Palavras-chaves: Acurácia Dimensional, Projeto Auxiliado por Computador, Anormalidades Maxilomandibulares, Cirurgia Ortognática. ABSTRACT Purpose: The aim of this retrospective study was to evaluate the accuracy between actual outcomes and virtual surgical planning (VSP) in orthognathic surgery regarding the use of three-dimensional (3D) surface models for registration using ICP algorithm and color maps by reverse engineering software. Materials and Methods: Construction of planning and postoperative 3D models in STL files format (M0 and M1, respectively) from CBCTs of 25 subjects who had been submitted to bimaxillary orthognathic surgery was performed. The M0 and M1 were sent to Geomagic Wrap Software in automatic alignment surface meshes order of M0 and M1 for registration using the ICP algorithm to calculate mean deviation (MD, MD+, MD-, SD) and root mean square (RMS). Color maps were generated to assess qualitative congruence between M0 and M1. From deviation analysis, the RMS(s) were defined as 3D Error which behaved as a measurement indicator of accuracy. The sample characteristics were shown by descriptive statistics. To evaluate the reproducibility of this method, the workflow was performed by two independent evaluators multiple times. t tests were used to assess whether all means of MD, MD+, MD-, SD and 3D Error values would be lower than - 2 mm and greater than 2 mm. Results: high intra and inter evaluators correlation were found, supporting the reproducibility of the workflow in Geomagic Wrap software. t tests proved that all MD(s) and 3D Error values were greater than - 2 mm and lower than 2 mm. Conclusion: This study showed 3D error mean (1,27 mm) within the standards of clinical success lower than 2 mm. ICP algorithm in Geomagic Wrap software provided a reproducible method of alignment between 3D models (surface meshes) and generated color maps to evaluate 3D congruence, but did not answer all methodological parameters regarding the assessment of accuracy in orthognathic surgery. Key-words: Dimensional Measurement Accuracy, Computer-Aided Design, Jaw Abnormalities, Orthognathic Surgery. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Esquema do fluxo de trabalho do PAC. 1.1 – Visualização das imagens dos tecidos moles na TCFC para orientação de cabeça. (A) Orientação pelo ‘yaw’1, em um corte axial de acordo com o exame físico; (B) Orientação do ‘roll’1 em vista frontal, como referência uma foto frontal em PNC* associada a linhas horizontais passando pelas comissuras palpebrais e labiais; (C) Correção do ‘pitch’1 em vista lateral, utilizando como referência uma foto de perfil em PNC*, linha vertical2 passando pelo ponto subnasal, se relacionando com glabela, os lábios e o pogônio. 1.2 - (A) Modelos de gesso digitalizados em oclusão e individualmente; (B) Sobreposição das arcadas escaneadas na TCFC; (C) Simulação cirúrgica iniciada pela realização das osteotomias; (D) Simulação dos movimentos, seguindo a sequência de correção em ‘yaw’, ‘roll’ e ‘pitch’; (E) Realização do ‘piggyback’ para mandíbula alcançar para a oclusão final; (F) Confecção virtual do guia cirúrgico intermediário e final. *PNC: Posição Natural de Cabeça. Figura 2 – Imagem demonstra Método de exportação de segmentos do PAC em formato de arquivo STL. Figura 3 – Imagem demonstra processo de importação de arquivos STL segmentados proveniente do PAC no programa Materialise Magics para compilação do Modelo 3D referência. Figura 4 – Imagem demonstra as reconstruções multiplanares e reconstrução 3D para aplicação de método de sobreposição tipo ‘voxel-based’ das TCFC pré e pós operatórias para obtenção de PNC. Figura 5 – Imagem demonstra método de exportar orientação de PNC para volume de TCFC de pós-operatório. Figura 6 – Método de exportação de arquivo STL proveniente da TCFC pós- operatória em PNC. Figura 7A e 7B – Imagens demonstram a execução do alinhamento manual por meio da ferramenta Movimentador de Objeto utilizando as estruturas zigomáticas e nasais como referência (as setas representam as possíveis direções para alinhar e sobrepor o modelos 3D teste ao referência). Figura 8 – Imagem apresenta aplicação de ferramenta Melhor Alinhamento de Ajuste devidamente calibrado (indicado pelas setas vermelhas). À direita, modelo 3D após finalização de alinhamento automático. Figura 9 – Imagem monstra a função Análise de Desvio para criar um mapeamento 3D e codificar com cores as diferenças entre os modeles 3D referência e teste. Figura 10 – Imagem exibe mapeamento 3D e codificação em escala de cores dos modelos referência e teste. Pode ser visualizado MD, MD+, MD-, SD, RMS (‘3D Error’). LISTA DE ILUSTRAÇÕES (EM LÍNGUA INGLESA) Figure 1 – Scheme showed workflow of VSP until generating M0 and illustrations (A) Photographs in NHP* (B) Orientation in NHP*, VSP* workflow on Dolphin Imaging (C) Exportation of STLs segmented from Dolphin Imaging and generate M0. *Natural Head Position; * Virtual Surgical Planning. Figure 2 – Scheme showed voxel-based superimposition until generating M1 and illustrations (A) voxel-based superimpose CBCT pre and postoperative on Dolphin Imaging and export orientation NHP* to CBCT postoperative (B) generate M1 in STL file. *Natural Head Position. Figure 3 – Scheme showed (item 1) automatic alignment, (item 2) application of ICP algorithm between MO and M1, and (items 3 A – D) colour-coded distance map generation in differents views of M0 and M1 presented mean deviations and 3D Error. Figure 4 – Illustrations showed examples of samples subjects that underwent orthognathic surgery and accuracy evaluation. Colour maps overview qualitative deviations between M0 and M1 and histograms ± 5 sign depicts the distance or deviation range. Green colour indicated zero deviation, warner (red) colours positive deviations, and colder (blue) colours negative deviations. Figure 5 – Illustration showed boxplots with values lower than 2 mm and congruence of the graphics, comparing RMS Error and 3D Error between evaluators. Table 1 – Descriptive statistics distribution of sample characteristics. Table 2 – Pearson correlation coefficients (ccP – r) and Paired t-test intra-evaluator and inter-evaluators to test the reproducibility. Table 3 – t-Test analysis to assess all means of registration error and deviations rejected or not the hypotheses. LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 3D: tridimensional, tridimensionais; CAD: ‘computer-assisted design’; CAM: ‘computer-assisted manufacturing’; DDF: deformidade dentofacial; mm: milímetros; OLFI: osteotomia Le Fort I; OSBM: osteotomia sagital bilateral da mandíbula; PAC: planejamento assistido por computador; PIP: proximidade iterativa dos pontos; RMS: quadrado médio da raiz; TCFC: tomografia computadorizada de feixe cônica; LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS (EM LÍNGUA INGLESA) 3D: three-dimensional AP: anteroposterior movements BSSO: bilateral sagital split osteotomy CCW: clockwisecounter rotation CBCT: cone-beam computed tomography CW: clockwise rotation DFD: dentofacial deformity DICOM: digital imaging and communication in medicine EVA: evaluator FOV: fields of view ICP: iterative closest point LFIO: Le Fort I osteotomy M0: 3D model reference M1: 3D model test MD: mean deviation MD+: mean deviation positive MD-: mean deviation negative Md: mandible mm: milimeters MO: malocclusion Mx: maxilla OB: open bite PGmd: prognathia of mandible RGmd: retrognathia of mandible RGmx: retrognathia of maxilla RMS: root mean square ROP: rotation of occlusal plane SD: standard deviation SS: surgical sequence STL: standard tesselation language STP: surgical treatment planning VSP: virtual surgical planning