VISUALIZAÇÃO DO TRATAMENTO ORTODÔNTICO UTILIZANDO REALIDADE VIRTUAL E REALIDADE AUMENTADA

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1 VISUALIZAÇÃO DO TRATAMENTO ORTODÔNTICO UTILIZANDO REALIDADE VIRTUAL E REALIDADE AUMENTADA Daniela Teresa Rossignoli Uebele 2, Giuliano Diniz de Morais 3, Alexandre Cardoso 1 e Edgard Lamounier 1 1 Universidade Federal de Uberlândia UFU 2 Universidade Santa Cecília - UNISANTA 3 Faculdade Tecnologia de Praia Grande - FATEC Santos - SP Brasil daniela@unisanta.br, giulianodiniz@yahoo.com, alexandre@ufu.br, lamounier@ufu.br Resumo - A adoção de tecnologias em torno da Realidade Aumentada (RA), aplicadas nas diferentes áreas da saúde é algo de notório avanço nos últimos anos. Entretanto, a literatura mostra que a área da ortodontia, em especial a cirurgia ortognática, ainda é carente de tecnologias de apoio ao cirurgião, bem como seus pacientes. Nesse sentido, este artigo propõe tratar da aplicação da Realidade Virtual e Aumentada, simulando resultados de uma cirurgia ortognática. Palavras-Chave Realidade Aumentada, Realidade Virtual, ortodontia, cirurgia ortognática. Abstract The adoption of Augmented Reality (AR) technologies computer graphics, applied into several health segments is something with a notable advance over the last years. However, literature has shown that, for the orthodontic segment, in special for the orthognathic surgery, there are few technologies that offer a great support to the surgeon and the patients. In this sense, this paper is intended to investigate the use of AR technology for simulating orthognatic surgery. Keywords - augmented reality, orthognathic surgery, orthodontic. I. INTRODUÇÃO A utilização de Realidade Virtual e Aumentada tem sido aplicada em diferentes áreas da medicina, e com diferentes propósitos, que passam por pesquisa, simulação de resultados, ferramentas de aprendizado, reabilitação motora, entre inúmeros outros [2]. A Odontologia é assistida por diferentes sistemas, desde especialistas com ênfase em inteligência artificial para tomada de decisões [3], passando por sistemas de gestão e automação, entre outros. Alguns desses sistemas se utilizam de tecnologias de manipulação de imagem, com objetivos de diagnóstico, análise para implantes ou cirurgias. [11] A Cirurgia Ortognática, uma subespecialidade da Cirurgia Buco Maxilo, é composta por um conjunto de procedimentos cirúrgicos, cujo objetivo principal é reposicionar os ossos maxilares e mandibulares, restabelecendo a oclusão (encaixe dos dentes) e promovendo uma melhor harmonia facial. A correção do maxilo-mandibular, fruto da cirurgia ortognática pode oferecer significantes melhorias em áreas como a mastigatória, a fonética, a respiração e a estética facial [12]. Nesse artigo é dada maior atenção para o diagnóstico por imagem, muito embora a proposta desse artigo não seja puramente em torno do diagnóstico, mas sim em simulação de resultados. Podendo ser aproveitado por diferentes profissionais da Odotonlogia, entende-se que cirurgiões dentistas e buco-maxilo-facil serão os maiores beneficiados. Na seqüência serão abordados os demais assuntos relevantes para esse artigo, tais como Cirurgia Ortognática, trabalhos relacionados, onde são apresentados alguns sistemas computacionais existentes, e finalmente um projeto é proposto, onde se busca demonstrar e simular resultados de uma cirurgia utilizando técnicas de realidade aumentada. II. CIRURGIA ORTOGNÁTICA Gabrielli [4] estima que 60% da população brasileira necessita de algum tipo de tratamento ortodôntico, e 5% só resolveria o problema se passasse pela intervenção cirúrgica, com base em pesquisas realizadas pelo instituto norte-americano e na literatura nacional. Estima-se que cerca de 10 milhões de brasileiros precisariam se submeter a uma cirurgia ortognática para a correção de problemas na maxila (estrutura óssea que suporta os dentes superiores) ou na mandíbula (que mantém os dentes inferiores). A cirurgia ortognática é realizada em ambiente hospitalar, sob anestesia geral. A cirurgia consiste basicamente em promover fraturas ósseas planejadas, reposicionamento dessas fraturas e posterior fixação interna rígida através de mini-placas e parafusos. [2]

2 As deformidades dos ossos da face podem se originar de distúrbios de crescimento, síndromes e anomalias específicas, traumas na face, ou serem de origem genética, dentre outros fatores. Essa alteração pode estar localizada em um osso, como na prognatismo mandibular (mandíbula grande) ou no retrognatismo mandibular (mandíbula pequena), sendo que muitas vezes é um problema combinado, associando o maxilar superior à mandíbula (fig1). A correção das deformidades faciais através da cirurgia ortognática traz grandes benefícios aos pacientes operados, com sensível melhora na relação entre os dentes, músculos e ossos, até mesmo na respiração e fonação. Ter o queixo para frente ou para trás causa problemas funcionais graves, como apneia, dores na musculatura do rosto, na posição da língua e da articulação temporo-mandibular (ATM articulação na frente dos ouvidos), enxaquecas e até disfunções estomacais (devido à mastigação incorreta). Fig. 1 Possibilidades de movimentação óssea cirúrgica. Fonte: biosphera.com.br III. CENÁRIO ATUAL - TECNOLOGIA NO AUXÍLIO DA CIRURGIA ORTOGNATICA São várias as ferramentas em desenvolvimento ou em aperfeiçoamento para atender as necessidades da Ortodontia, sempre em busca de uma maior precisão na análise dos problemas, e conseqüentemente em melhores resultados. Percebe-se nitidamente os grandes investimentos que consultórios e clinicas odontológicas tem feito em equipamentos de ultima geração. Podemos observar algumas tecnologias já testadas por várias instituições especializadas na área. As imagens 3D permitem precisão e confiabilidade nas medidas lineares entre pontos cefalométricos, visualizado na figura 2, utilizando feixes de tomografias volumétricas cone bean computadorizada 3D (CBCT). Esta ferramenta permitiu uma diminuição da exposição do paciente às radiações, e esta redução no número de projeções para a reconstrução 3D não resultou em uma perda de precisão dimensional. As medições com CBCT são consistentes entre as seqüências e digitalizações diretas para medições entre pontos marcados de referência. [7] Morfometria tridimensional (3D) da face: a antropometria facial desempenha um papel importante no diagnóstico de diversas áreas que trabalham com as estruturas da face (Odontologia, Cirurgia Plástica e Craniomaxilofacial, Otorrinolaringologia), e estão interessados em novas tecnologias que auxilie em um diagnóstico correto e na preparação do plano de tratamento de pacientes que serão submetidos a tratamentos ortodônticos, cirurgias ortognáticas, cirurgias plásticas da face, diagnóstico de malformações congênitas ou adquiridas e pesquisas morfométricas. A marcação de pontos craniométricos representa uma ligação entre a antropometria convencional e a digital: a identificação dos pontos faciais (antropometria convencional) utiliza paquímetros, réguas cefalométricas, etc., para realizar as medições. Fundamentalmente, a antropometria digital capta as posições dos pontos, e usam as coordenadas X, Y e Z para cálculos baseados na geometria euclidiana: distâncias lineares e ângulos. Com estes resultados e as medidas clássicas, cálculos matemáticos e geométricos permitem análises mais complexas como: estimativas de volume, área da superfície, análises de simetria, avaliação de formas, utilizando os mesmos pontos já computados. Os dois grupos principais de instrumentos utilizados na antropometria facial em 3D são: instrumentos de contato (digitalizadores eletromagnéticos e eletromecânicos, sondas ultrassônicas) e instrumentos ópticos ou de não-contato (laser scanner, ópticoeletrônicos, topografia Moiré, estereofotogrametria), eliminando o risco de compressão cutânea, evitando danos ou erros na mensuração. Um método de análise morfométrica quantitativa ideal para a avaliação de pacientes deve ser não-invasivo e nem nocivos, não provocar dor ou desconforto aos pacientes; de baixo custo; rápido (obter informações através de técnicas simples e que capta e armazene os dados digitais 3D da morfologia facial); possibilitar a criação de um banco de dados e a visualização, simulação e análise quantitativa do tratamento. Fig 2 Pontos cefalométricos para analise [7].

3 Fig 3 - Face obtida através de digitalizador eletromagnético [8] Digitalizadores eletromagnéticos e eletromecânicos fornecem as coordenadas tridimensionais (Fig. 3) dos pontos de referência demarcados previamente na face, utilizando equipamentos como o mostrado na Figura 4(a), que correspondem diretamente às estruturas anatômicas e antropométricas dos indivíduos, ou seja, as coordenadas são obtidas ponto por ponto. Após a aquisição 3D de dados por meio de uma tomografia computadorizada (TC) ou tomografia computadorizada de feixe cônico (CBCT) de pacientes com deformações ortognáticas visualizado na figura 5, é possível realizar o reposicionamento virtual das bases ósseas maxilares. Para reduzir falhas, os modelos de gesso foram digitalizados, utilizando um scanner de superfície. Após Importar e combinar os dados para o planejamento préoperatório do caso, permitindo a transformação do reposicionamento planejado e da oclusão ideal. O sistema define um Split virtual entre as fileiras de dentes que permite codificar o reposicionamento ideal, exemplificado na figura 6. Depois de realizar uma operação, a impressão dentaria é subtraída do splint virtual. Fig 4(a) - Equipamento laser scanner para gera imagem 3D[8] Fig 4(b) - imagem 3D gerada pelo scanner[8] O sistema registra a textura facial e combina as informações 3D com uma precisa reprodução de todas as características faciais, exibidas na figura 4(b). [8] Fabricação de Splints para Cirurgia Ortognática Utilizando Impressora Tridimensional: esta confecção de split (goteira) inter-maxilar para ser usada na Cirurgia Ortognática. Fig 5 Crânio scanneado 3D e segmentado em duas partes: superior e inferior.[9] Fig 6 destaque da mandíbula e maxila, de forma a movimentar e simular o resultado cirúrgico ósseo.[9] O "splint " definitivo depois é confeccionado por uma impressora 3D. Combinando as vantagens dos modelos de gesso convencional, planejamento virtual 3D preciso, e a possibilidade de transformar a informação adquirida em um Split dental ideal. [9] IV. TRABALHOS RELACIONADOS. Existem inúmeros sistemas comerciais, sendo os mais comuns para o gerenciamento clinico, com proposta para prática ortodôntica, em sua maioria são de produção estrangeira. A maior parte dos sistemas pesquisados não atua na simulação de tratamento, nem integra funcionalidades ortodônticas em um único ambiente gráfico 3D interativo. Os sistemas 2D para análise cefalométrica têm sido desenvolvidos com o objetivo de reduzir o erro humano e o tempo gasto na extração de medidas ortodônticas do paciente. Segundo Maria Andréia [5], as pesquisas têm-se concentrado na geração de aplicativos 2D e 3D para tratamento ortodôntico e em sistemas de simulação de movimentos mandibulares, Obtendo-se os dados através de medidas cefalométricas. Como pode ser observado neste artigo, a maior parte das pesquisas estão voltadas para o tratamento ortodôntico e não contempla a cirurgia ortognática. Salienta-se que para o sucesso da cirurgia ortognática é necessário um preparo ortodôntico pré e pós cirúrgico. Lembrando que o artigo em analise [5] é voltado para o treinamento do futuro ortodontista, outra

4 área bastante pesquisada, esta pesquisa é voltada para auxiliar na escolha não somente do tratamento, mas de todos os componentes que farão parte dos procedimentos adotados (fig.7), buscando atingir resultados eficientes e eficazes. Fig 7 Software desenvolvido na pesquisa sobre visualização de tratamentos ortodônticos.[5] Segundo Motta [1], que verificou a precisão de um programa de simulação computadorizada, utilizando-se radiografias e fotografias de perfis das faces pré cirúrgicas, comparando cefalométricamente pontos dos perfis mole dos traçados predictivos e final, avaliando cinco regiões: perfil total; nariz; lábio superior; lábio inferior; mento. Observou uma variação de posicionamento dos pontos com erros de até 2mm em mais de 60% e acima de 3mm em 17%, as imagens predictivas não apresentaram significativas diferenças comparando com outros sistemas de simulação computadorizado, podendo ser considerado útil na prática clinica ortodôntica e cirúrgica, recomendando cautela no planejamento devido a algumas limitações observadas. Existem dois métodos utilizando computador: o primeiro proporcionando o traçado cefalometricos permitindo observar os movimentos cirúrgicos, como citado anteriormente é onde se tem a maior parte das pesquisas feitas em 2D e pouquíssimas em 3D, na segunda uni-se o traçado cefalométrico a imagem fotográficas de perfil que sofre alterações de acordo com a movimentação óssea (fig.8). Este último chamado de Vídeo Imaging. Resultando em uma melhor visualização e no entendimento dos objetivos do tratamento pelo paciente. Os cinco softwares testados no artigo [1], possui praticamente as mesmas deficiências, em todos os experimentos houve algumas falhas visuais na geração de imagens, sendo os softwares: Dentofacial Planner, Dolphin Imaging, Prescription Planner Portrait, Quick Ceph Image e Vistadent. A Dolphin Imaging, é uma empresa que desenvolve aplicativos gráficos de ultima geração desde 1988, que oferece uma quantidade de recursos relativamente grande e de qualidade, sendo o único no mercado que possui o VTO em 3D, o mesmo é vendido em módulos, de forma que para cada segmento é necessário treinamento.[13] Fig. 8 Tela de tratamento do software Vistadent: movimentação das estruturas esqueléticas do traçado pré-cirúrgico (azul) construindo o traçado predictivo (vermelho) - a tabela mostra a magnitude das mudanças esqueléticas no plano horizontal e vertical.[1] Fig. 9 Tela de Planejamento do tratamento ortodôntico no software Dolphin Imaging.[13] Este Software já vem sendo utilizado para pesquisa e ensino em vários centros de estudos mundiais. Ele permite: Importa formatos dados 3D; Analises tridimensionais das vias aéreas; Faz analise das ATMs; Gera teleradiografias cefalométricas e panorâmicas; Possibilita medidas 2D e 3D angulares(fig.9), de distâncias e de áreas; Cria animações; Entre outras funções. Fig. 10 Exibe a sobreposição de imagens[13] O módulo 3D é uma poderosa ferramenta de processamento de dados (Fig.10), que permite um amplo diagnóstico em todas as especialidades da Odontologia, possibilitando um planejamento seguro dos procedimentos. Ele permite uma boa visualização

5 da anatomia crânio facial, capturadas através de Tomografias Computadorizadas Cone Bean, Ressonância Magnética e sistemas de cameras digitais médicas 3D. O apelo visual da simulação computadorizada sana as deficiências do profissional ao apresentar o caso ao paciente, que era realizada com o auxílio de traçados cefalométricos, modelo de estudo e fotografias de outros pacientes tratados, de difícil entendimento para um leigo. Além disso, a possibilidade de se realizar planejamentos ortocirúrgicos com maior facilidade e precisão tornou este método mais utilizado e estudado nos últimos dez anos.[1] V. PROSPECÇÃO DA PESQUISA. O objetivo desta pesquisa é desenvolver um software utilizando a realidade virtual e a realidade aumentada para que o cirurgião e também o próprio paciente consigam visualizar o resultado projetado de uma cirurgia ortognática. A solução foi idealizada e dividida em quatro grandes etapas, descritas a seguir: pontos (pontos projetados), gerando assim a imagem sugerida na figura 12. São essas definições dos pontos projetados que determinam o resultado esperado ao final da cirurgia. Fig. 12 Radiografia com marcações atuais e projetadas[10] 3) Fusão da parte óssea com a imagem capturada do paciente utilizando RA. 1) Carregamento de uma radiografia Fig. 13 Exibição da parte óssea Fig. 11 Radiografia para marcação de pontos[10]. Nessa primeira etapa acontece o carregamento de uma ou mais imagens radiográficas (raio-x) de forma digitalizada, pode-se observar o layout sugerido com uma radiografia digitalizada[10] conforme ilustração da figura11. O médico então decidirá qual delas apresenta melhores condições para iniciar a etapa 2. 2) Marcação dos pontos Nessa etapa, o médico utilizando uma interface gráfica simplificada, com algumas ferramentas comuns a utilitários de edição de imagens, tem o objetivo de reconhecer e identificar os pontos do traçado cefalométrico na imagem digitalizada da radiografia. Essa identificação ocorre em duas fases, todos os pontos serão demarcados conforme estudo prévio feito pelo especialista de forma manual e baseada na experiência clinica. Na primeira o médico reconhece, identifica e marca na imagem os pontos de acordo com a realidade do paciente (pontos atuais), e numa segunda fase, após alguns cálculos do médico, o mesmo faz a marcação das novas posições esperadas para esses Nesta etapa acontece a fusão da imagem digitalizada da radiografia (somente o conjunto ósseo de interesse para a cirurgia ortognática) com a imagem do paciente, exibida na figura 13, capturada através de uma câmera (webcam). O objetivo dessa etapa é confirmar a identificação dos pontos atuais na radiografia. 4) Cálculos e apresentação dos pontos projetados De posse dos pontos atuais e dos pontos projetados, é possível calcular o delta de deslocamento entre os dois cenários. Com esses cálculos em mãos, utilizando técnicas para escrita de arquivos no formato VRML, o software cria uma nova imagem do conjunto ósseo utilizando os pontos projetados. Fig. 14 Imagem capturada com o marcador

6 A partir dessas definições, é a fase em que o paciente apresentando-se novamente para a câmera e com um marcador em um ponto definido na lateral de seu rosto, figura 14, poderá visualizar sua face em uma realidade projetada e aumentada, ou seja, espera-se nesse momento que seja possível visualizar qual seria o resultado esperado da cirurgia, visualizado na figura 15. Fig. 15 posicionamento da malha na fase para permitir a modificação da imagem. A intenção é que os movimentos do paciente sejam acompanhados pela imagem projetada (VTO). Nessa última etapa ainda é possível escolher entre duas formas distintas de visualização, uma refletindo a parte óssea, e outra focada nas modificações dos tecidos da face (lembrando e enfatizando que é uma visualização do resultado esperado e não exatamente o que poderá ocorrer). VI. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Nota-se que a através da aplicação da Realidade Virtual e Aumentada, é possível contribuir de forma significativa para que novas técnicas de simulação de resultados para cirurgia ortognática sejam desenvolvidas, com o grande objetivo de tornar simples e menos intrusivo do que muitas das técnicas atuais. É visto que existe um campo enorme de aplicação para novas técnicas, dada a pouca oferta de tecnologias aplicáveis e o grande número de pessoas com problemas que podem ser tratados com ajuda da cirurgia ortognática. Como trabalho futuro, pretende-se desenvolver técnicas de Realidade Aumentada imersiva, para uma melhor simulação e controle por parte do cirurgião dentista. VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] A.T.S. da Motta, I.H.P. Brunharo, at al., Simulação computadorizada do perfil facial em cirurgia ortognática: precisão cefalométrica e avaliação por ortodontistas. In: Rev Dental Press Ortodon Ortopedi Facial; Maringa PR, set./out. 2007, vol.12, n. 5, p ,. [2] F. Costa; L. Pietrobon; M. Fadel; G. Filho, Utilização da Realidade Virtual em Odontologia. Sociedade Brasileira de Informática em Saúde, X Congresso Brasileiro de Informática e Saúde. Campos do Jordão, São Paulo, dez. [3] G. Cericato; D. Garbin; A. Fernandes Uso dos Sistemas Especialistas em Odontologia, CBIS'2006. Costão do Santinho, Florianópolis, SC, de outubro, [4] Folha Online Home Page, < u shtml> - Acessado em: 15/07/2010 [5] M.A.F. Rodrigues, W.B. Silva,, M.E.B. Neto. Um Sistema de Realidade Virtual para Tratamento Ortodôntico. In: Mestrado em Informática Aplicada Universidade de Fortaleza, Fortaleza- CE, [6] R Santin; C. Kirner, Detecção em tempo real de objetos em vídeo usando Realidade Aumentada. In: Anais do WRA`2005 II Workshop de Realidade Aumentada, 2005, Piracicaba, SP, v1, p [7] A.A. Brown; W C. Scarfe; at al. Precisão da tomografia linear Cone Beam CT derivadas de imagens 3D. In: Angle Orthodontist, artigo de 2009, University of Louisville School of Dentistry, Louisville, Ky. [8] M. Menezes; C. Sforza; Morfometria tridimensional (3D) da face. In: Artigo 2010, Dental Press Journal Orthodontics, Departamento de Morfologia Humana e Ciências Biomédicas da Universidade de Milão, Itália. [9] M C Metzger; B H. Schwarz; M. Teschner; B. Hammer; R. Schmelzeisen. Fabricação de Splints para Cirurgia Ortognática Utilizando Impressora Tridimensional. In: Artigo 2008, Revista Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, Oral Radiology & Endodontics, Freiburg, Germany; and Aarau, Switzerland Albert-Ludwig University Freiburg and Hirslanden Medical Center. [10] C.M.M. Gimenez, F. Bertoz, at al. Avaliação cefalométrica do perfil mole de pacientes face longa submetidos à cirurgia ortognática: estudo retrospectivo. In: Rev. dental press ortodon. ortopedi. facial; vol.11(6): , Maringa - PR, nov.-dez [11] A. Farman; C. Levato; W. Scarfe; J. Mah. Education in the round: multidimensional imaging in dentistry. Inside Dentistry. Louisville, Kentucky January 2008, (1):39-41 [12] M.de O.Ribas, L.F.G. Reis, B.H.S. França, A.A.S. de Lima. (2005). Cirurgia ortognática: orientações legais aos ortodontistas e cirurgiões bucofaciais. R Dental Press Ortodon Ortop Facial. v. 10, n. 6, p , Maringá PR, nov./dez [13] Site da Dolphin Imaging Featuring 3D: