Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 111-120.

The 3D reconstruction of anatomical models such as the mandibular jaw is important for
pre-operative planning, surgical simulation, as well as for education and training. The availability
and variety of post-processing software packages have grown with the digital revolution of
dentistry which offer more options for further research to improve patient management.
Commercial software programs tend to have a much more user-friendly interface, but high
purchase costs are an issue.
In the last few years, many open-source software packages that can be obtained for free
could open up opportunities for more general use of bone models, with obvious advantages for
biomechanical research, and medical education. These software packages provide manual, semiautomatic, or automatic segmentation capabilities.
The quality of life of patients is the main concern for clinicians in patient management.
Despite the present abilities of freeware software packages, these cannot currently be used in
clinical practice because of the lack of necessary certification. Therefore, in a clinical context, it is
essential to understand which free software best fits the surgeon’s expectations from different
perspectives including the geometric and dimensional accuracy of the reconstructed anatomical
models. Therefore, the precision of these open-source software packages in detecting the
volumetric and morphological characteristics of craniomaxillofacial structures should be
confirmed.
Hence, the current study was performed to assess the validity and reliability of two opensource software programs in semi-automatic mandibular segmentation compared to manual
segmentation using commercial software.
Segmentation and 3D modeling workflows using existing software packages were evaluated
for the 3D reconstruction of the mandibular jaw using CBCT data. CBCT scans of twelve patients
were imported into three software programs to segment and generate a 3D rendering of the
patient’s mandible. A fully manual segmentation of the lower jaw was accomplished by Mimics
commercial software, which served as the ground truth (gold standard) of the present investigation.
122
The semi-automatic segmentation of the mandible was carried out using two open-source
software packages, namely ITK-Snap and 3D Slicer. Once the segmentation mask was obtained in
each software, the volume of the model was calculated and exported in STL format.
To compute the geometric difference between the 3D mandibular models produced using
free software packages and Mimics software, Cloudcompare open-source software was used. The
3D deviation analysis was complemented by the visualization of the 3D color-coded maps to
evaluate and locate the discrepancy between the model surfaces.
This study is one of the few comparative evaluations of open-source software programs
with propriety commercial software for producing accurate mandibular models. The current study
results showed that there was a statistically but not clinically significant underestimation of
mandibular jaw volume with the open-source software programs compared to the commercial
software. The anatomical reconstruction of the mandibular bone was better achieved by 3D slicer
software than ITK-Snap software. Regarding reproducibility, our results showed excellent
reliability and good agreement between the volumetric measurements obtained with tested software
packages and ground truth.
Considering the geometric quality of the 3D rendered model, the 3D Slicer and ITK-Snap
software programs had a deviation distance of (-0.086 mm), and (-0.09 mm) respectively from the
ground truth. The color-coded maps obtained with ITK-Snap and 3D Slicer software programs
showed areas of underestimation at the condylar level and areas of overestimation relating to the
angle and lingual side of the ramus. A comparison of the segmentation time for the mandible with
the three software packages showed that the time for semi-automatic segmentation using tested
software programs was significantly less than that of manual segmentation. Considering the
comparative assessment of the efficiency of the two tested software packages, 3D Slicer software
offers the advantage of being faster than ITK-Snap software.

إعادة البناء ثلاثي الأبعاد للنماذج التشريحية مثل الفك السفلي مهمة للتخطيط قبل الجراحة والمحاكاة الجراحية وكذلك للتعليم والتدريب. نما توافر وتنوع حزم برامج ما بعد المعالجة مع الثورة الرقمية لطب الأسنان والتي توفر المزيد من الخيارات لمزيد من البحث لتحسين إدارة المريض. تميل البرامج التجارية إلى أن تكون أكثر سهولة في الاستخدام، ولكن تكاليف الشراء المرتفعة للغاية تمثل مشكلة. في السنوات القليلة الماضية، يمكن الحصول على العديد من حزم البرامج المجانية، مما قد يفتح فرصًا لاستخدام أكثر عمومية لنماذج العظام، مع مزايا واضحة للأبحاث الحيوية والتعليم الطبي. توفر حزم البرامج هذه إمكانية تجزئة يدوية أو نصف آلية أو أوتوماتيكية.

جودة حياة المرضى هي الشغل الشاغل للأطباء. على الرغم من القدرات الحالية لحزم البرامج المجانية، لا يمكن استخدامها حالياً في الممارسة الاكلينيكية بسبب عدم وجود الشهادات اللازمة. لذلك، في سياق سريري، من الضروري أن نفهم أي البرامج المجانية تناسب توقعات الجراح بشكل أفضل من وجهات نظر مختلفة مثل الدقة الهندسية والأبعاد للنماذج التشريحية المعاد بناؤها. لذلك يجب تأكيد دقة حزم البرامج المجانية هذه في الكشف عن خصائص الحجم والشكلللنماذج العظمية للجمجمة.

ومن ثم، تم إجراء الدراسة الحالية لتقييم صحة وموثوقية برنامجين مفتوحين المصدر في تجزئة الفك السفلي نصف آليا مقارنة بالتجزئة اليدوية باستخدام البرامج التجارية.

تم تقييم عمليات سير البناء ثلاثي الأبعاد للفك السفلي باستخدام حزم البرامج الحالية باستخدام بيانات التصويرالمقطعي بالحاسوب مخروطي الشعاع. تم إدراج فحوصات التصوير المقطعي بالحاسوب مخروطي الشعاع لاثني عشر مريضًا إلى ثلاثة برامج لتقسيم وبناء عرض ثلاثي الأبعاد لعظم الفك السفلي للمريض. تم تحقيق تجزئة يدوية كاملة للفك السفلي باستخدام برنامج Mimics التجاري، والذي كان بمثابة الحقيقة الأساسية )المعيار الذهبي( للدراسة الحالية. تم إجراء التجزئة النصف آلية للفك السفلي باستخدام حزمتين من البرامج مفتوحة المصدر، وهما ITK-Snap وD Slicer3. بمجرد الحصول على ناتج التجزئة في كل برنامج، يتم حساب حجم النموذج وتصديره بتنسيق STL. لحساب الاختلاف الهندسي بين نماذج الفك السفلي ثلاثية الأبعاد التي تم إنتاجها باستخدام حزم البرامج المجانية وبرنامج Mimics التجاري، تم استخدام برنامج Cloudcompare مفتوح
المصدر. تم استكمال تحليل الانحراف ثلاثي الأبعاد من خلال فحص الخرائط ثلاثية الأبعاد المميزة بالألوان لتقييم التباين بين أسطح النموذج وتحديد موقعه.




123

هذه الدراسة هي واحدة من التقييمات القليلة لمقارنة البرمجيات المجانية مع برنامج تجاري في إنتاج نماذج دقيقة للفك السفلي. أظهرت نتائج الدراسة الحالية أنه كان هناك تقدير إحصائي ولكن ليس مهمًا من الناحية الاكلينيكية لحجم الفك السفلي باستخدام حزم برامج ITK-Snap وD Slicer3 مقارنة بالتجزئة اليدوية. أفضل طريقة لإعادة البناء التشريحي لعظم الفك السفلي
هي البرمجيات مفتوحة المصدر. فيما يتعلق بإمكانية التطابق، أظهرت نتائجنا موثوقية ممتازة واتفاقاً جيد اً بين القياسات الحجمية التي تم الحصول عليها باستخدام حزم البرامج المختبرة والحقيقة الأساسية. بالنظر إلى الجودة الهندسية للنموذج ثلاثي الأبعاد الذي تم عرضه، فإن برامج D Slicer3 وITK-Snap لها مسافة انحراف تبلغ) -0.0.0 مم( و) -0.00 مم( على التوالي عن الحقيقة الأساسية. أظهرت الخرائط المرمزة بالألوان التي تم الحصول عليها باستخدام برامج ITK-Snap وD Slicer3 مناطق التقليل
من التقدير على مستوى اللقمة المفصلية ومناطق المبالغة في التقدير المتعلقة بالزاوية والجانب الداخلي للفك السفلي. أظهرت مقارنة وقت إعادة بناء الفك السفلي مع حزم البرامج الثلاثة أن وقت التجزئة النصف الي باستخدام البرامج المختبرة كان أقل بكثير من وقت التجزئة اليدوية. بالنظر إلى التقييم المقارن لكفاءة مجموعتي البرامج المختبرتين، يوفر برنامج D Slicer3 ميزة كونه أسرع من برنامج ITK-Snap.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.