Dental implants' acquisition system for personalized dental prosthesis

Tese de Doutoramento em Engenharia Electrónica Industrial e de Computadores.
Over the past centuries, the incidence of tooth loss (i.e. edentulism) has increased worldwide, due to factors of malnutrition, bad hygiene habits, wear, injury or illness. This global health care problem pushed the development of new surgical techniques and technologies for implantation of artificial teeth. Currently, the common solution for edentulism is the replacement of natural teeth with an implant-supported fixed prosthesis. These are fixed dentures or, in some cases, semi-fixed dentures, that support and connect up to 8 implants together using a thin metal bar that follows the curvature of the patient’s jaw. For the prosthesis long-term success, accurately acquiring the implants’ position and angulation (i.e. with less than 150 μm of misfit) is required. The inability of current techniques to acquire implants with such accuracy usually promotes misfits, which prevents successful osseointegration of the implant, contact deformation and, ultimately, resulting in the prosthesis rejection by patient’s discomfort. This work aims to develop an acquisition system capable to get with precision and accuracy the implant’s pose directly at the patient's mouth, which will allow to reduce the misfit problems associated with implant-supported prosthesis, especially in edentulous patients. To chase this goal, one proposes to develop and assess three different acquisition approaches: an electromagnetic motion tracking-based; a robotic-based; and, an image-based. In this first approach, the feasibility of a spatial electromagnetic motion tracking system in combination with a non-metallic mechanical interface tool was assessed. To this end, a tool calibration procedure was proposed. In addition, three calibration algorithms (scattered linear interpolation, higher-order polynomial and Hardy multiquadric) were tested to compensate the electromagnetic tracker distortions. The results of this approach were tested in vitro and with finite element analysis to assess the stress distribution in a full-arch prosthesis. An average accuracy of 334 μm was achieved. In the second approach, the development of a miniaturized articulated measurement device is detailed. This comprises the mechanical design and strength simulation, hardware selection and corresponding calibration. The most suitable parameters for acquisition were defined resulting in a maximum variation of 0.059% for the ADC full scale and an absolute angle deviation of 0.0139º. Concerning mechanical stability and magnetic field interference, a final mechanical design with 4 mm of thickness and a Mu-metal full shielding with 150 μm of thickness was defined as essential to ensure stability and accuracy. Lastly, to assess the device viability, a virtual mandible with four implants was used as ground-truth in an in vitro experiment. An average accuracy of 214 μm was achieved. Regarding the third approach, it consisted in the development of an image-based methodology to determine the implants’ pose (position and orientation) within cone-beam computerized tomography (CBCT) volumetric data. A model-based implant simulation methodology with real CBCT machine parameters is presented as a way to improve the implant’s pose extraction. To this extent, four modules were developed specifically for this framework, namely the implant search and extraction module, the implant CBCT simulation module, the voxel-based rigid registration module and the final implants’ pose estimation module. Additionally, a set of 3 experiments were designed to assess the framework validity, in specific an in silico, an in vitro and an in vivo experiment. An average accuracy of 69 μm was achieved in the in vitro experiments. Even though the motion-tracking based (first) and robotic-based (second) approaches did not reached the accuracy demands for the target application, the image-based framework (third) presented in silico and in vitro misfits below the 150 μm recommended in the literature. The proposed implant’s pose estimation framework thus opens the way for a fully user independent, digital impression workflow.
Ao longo dos últimos séculos, a incidência da perda de dentes (i.e., desdentados) tem aumentado em todo o mundo, devido a fatores de desnutrição, maus hábitos de higiene, desgaste, lesão ou doença. Este problema de saúde global impulsionou o desenvolvimento de novas técnicas cirúrgicas e tecnologias para implantação de dentes artificiais. Atualmente, a solução mais comum para a perda de dentes naturais é a sua substituição por uma prótese fixa implanto-suportada. As próteses fixas ou semifixas, suportam e ligam até 8 implantes em conjunto, utilizando no seu interior uma barra de metal que segue a curvatura da maxila do paciente. Para o sucesso da prótese a longo prazo, a aquisição com precisão da posição e ângulo dos implantes (i.e., com um desvio menor que 150 um) é essencial. A incapacidade das técnicas atuais para adquirir os implantes com tal precisão geralmente promove desajustes entre os implantes e os suportes das próteses, impedindo a osseointegração do implante, deformações mecânicas e, em última instância, resulta na rejeição da prótese por desconforto do paciente. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de aquisição capaz de obter com precisão e exatidão a pose do implante diretamente na boca do paciente, o que permitirá reduzir os problemas associados com os desajustes das próteses implanto-suportada, especialmente em pacientes desdentados. Para perseguir este objetivo, propõem-se desenvolver e avaliar três abordagens de aquisição diferentes: uma baseada em sistemas motion tracking; um baseado num sistema mecânico articulado; e, um com base em imagem médica. Na primeira abordagem foi avaliada, a viabilidade de um sistema de motion tracking eletromagnético, em combinação com uma ferramenta de interface mecânica não metálica como ferramenta de aquisição. Para este fim, foi proposto um processo de calibração da ferramenta. Além disso, três algoritmos de foram testados para compensar as distorções do sistema. Os resultados desta abordagem foram testados in vitro e por análise de elementos finitos para avaliar as forças geradas na prótese. Foi alcançada uma precisão média de 334 um. Na segunda abordagem é detalhado o foi desenvolvido de um dispositivo miniaturizado e articulado de medição. É descrita a sua conceção mecânica e simulações associadas, seleção de hardware e calibração correspondente. Foram definidos os parâmetros mais adequados para aquisição resultando numa variação de 0,059% da escala do ADC e um desvio angular máximo de 0.0139º. Em relação à estabilidade mecânica e interferências magnéticas, o design mecânico final conta com 4 mm de espessura e com uma proteção metálica em mu-metal de 150 um de espessura, essencial para garantir a estabilidade e precisão requeridas. Este sistema foi validado numa mandíbula artificial com 4 implantes, alcançando-se uma precisão média de 214 um. Em relação à terceira abordagem, esta consistiu no desenvolvimento de uma metodologia baseada em imagem médica para determinar pose dos implantes (i.e., posição e orientação) a partir de imagens de tomografia computadorizada de feixe cónico (CBCT). A metodologia proposta baseia-se na simulação do modelo do implante com os parâmetros da máquina CBCT utilizada, apresentado desta forma um modelo aproximado ao existente nos dados volumétricos extraídos do CBCT, melhorando a extração da pose do implante. Para tal, quatro módulos foram desenvolvidos, o módulo de pesquisa de implante e de extração, o módulo de simulação CBCT do implante, o módulo de registo e o módulo de calculo da pose final. Além disso, 3 experiências foram concebidas para avaliar e validar esta abordagem, uma in silico, uma in vitro e numa experiência in vivo. Foi alcançada uma precisão média de 69 um na experiência in vitro. Apesar das abordagens com sistema de motion tracking (primeiro) e com o sistema articulado de medição (segunda) não atingirem as exigências de precisão para a aplicação, o sistema baseado em imagem médica (terceiro) apresentou in silico e in vitro precisões abaixo do 150um recomendados na literatura. É espectável que com o sistema de imagem médica seja criar um método de aquisição de implantes diretamente a partir da boca do paciente de for totalmente digital e independente do dentista.