3DAS: A Score to Evaluate the Fidelity of STL and Printed 3D Models: A Pilot Study

Resumen Técnico: 3DAS – Una puntuación para evaluar la fidelidad de los archivos STL y los modelos 3D impresos

Planteamiento del problema
Los modelos tridimensionales (3D) impresos y sus archivos STL de origen se utilizan cada vez más en implantología y cirugía oral y maxilofacial para el diagnóstico, la planificación quirúrgica y el ensayo de procedimientos. Sin embargo, la fiabilidad clínica de estos flujos de trabajo está críticamente limitada por la precisión de los modelos. Los errores dimensionales pueden ocurrir en cualquier etapa del flujo de trabajo digital: desde la adquisición de imágenes y la segmentación hasta la reconstrucción de la superficie y la impresión. A pesar de la prevalencia de estas tecnologías, no existe un método estandarizado y orientado clínicamente para que los clínicos verifiquen de forma independiente la fidelidad de los archivos STL o de los modelos impresos antes de su uso. Esta brecha es particularmente significativa cuando los flujos de trabajo se subcontratan a proveedores externos, ya que los clínicos carecen actualmente de una métrica objetiva y reproducible para evaluar la calidad del modelo. Además, la literatura existente suele reportar valores aislados de veracidad o precisión sin integrar la completitud anatómica o la relevancia clínica, lo que dificulta las comparaciones entre estudios.

Metodología
El estudio propone y pilota el 3-Dimensional Accuracy Score (3DAS), una métrica compuesta diseñada para evaluar la fidelidad anatómica y la precisión dimensional de los archivos STL y los modelos 3D impresos con relación a su escaneo CBCT de origen.

• Estructura de la puntuación: El 3DAS es un instrumento graduado que va desde el Nivel I (mejor) al Nivel IV (peor). La calificación final se determina por el peor desempeño entre dos componentes:

  1. Fidelidad Anatómica: Una evaluación cualitativa que compara el archivo STL o el modelo impreso contra el conjunto de datos DICOM para verificar la presencia de hitos anatómicos predefinidos (p. ej., forámenes, crestas, cóndilos). La calificación disminuye un nivel por cada característica ausente o no identificable.
  2. Precisión Dimensional: Una evaluación cuantitativa que mide la desviación porcentual absoluta de tres distancias ortogonales (sagital, coronal, axial) respecto a la referencia CBCT. Se establecieron umbrales basados en una desviación absoluta de 0.5 mm (aprox. 1.25% de error relativo para una referencia de 40 mm), definiendo el Grado I como ≤2% de desviación, Grado II como 2–4%, Grado III como 4–6% y Grado IV como >6%.

• Diseño del estudio piloto:

  • Conjunto de datos: Se seleccionaron tres escaneos CBCT maxilares anonimizados que representaban una calidad de imagen baja, media y alta, procedentes de una colección esquelética histórica.
  • Proveedores: Se comisionó a siete proveedores comerciales de todo el mundo (incluyendo ZAGA Centers, BTK, 3DBiomodels, etc.) para generar archivos STL y, donde estuviera disponible, modelos impresos.
  • Evaluación: Dos investigadores calibrados realizaron la puntuación primaria, la cual fue posteriormente verificada por tres auditores independientes y ciegos que desconocían la identidad de los proveedores.

Contribuciones clave

1. Desarrollo del 3DAS: El artículo introduce un marco práctico y orientado clínicamente que permite a los clínicos verificar independientemente la fidelidad del modelo utilizando únicamente el software de imagen ya disponible en su flujo de trabajo, sin requerir equipo adicional.
2. Identificación de fuentes de pérdida de fidelidad: El estudio aísla la conversión de DICOM a STL (segmentación) como la fuente dominante de pérdida de fidelidad, más que el proceso de impresión 3D en sí mismo.
3. Evaluación estandarizada: Proporciona un método reproducible para evaluar simultáneamente tanto la completitud anatómica como la precisión dimensional, abordando la falta de métricas estandarizadas en la literatura actual.

Resultos

• Variabilidad de los proveedores: El 3DAS logró distinguir diferencias significativas de fidelidad entre los proveedores. Un proveedor (ZAGA Centers) alcanzó el Grado I en los tres niveles de calidad de CBCT, tanto para los archivos STL como para los modelos impresos. Por el contrario, varios otros proveedores obtuvieron consistentemente el Grado IV, independientemente de la calidad de la imagen de entrada.
• Impacto de la calidad de entrada: Para la mayoría de los proveedores, el grado del 3DAS disminuyó a medida que la calidad del escaneo CBCT de entrada era menor. Sin embargo, la metodología de segmentación pareció ser un factor más dominante que la calidad de la imagen por sí sola, ya que algunos proveedores mantuvieron una alta fidelidad incluso con entradas de baja calidad, mientras que otros fallaron con entradas de alta calidad.
• STL frente a modelos impresos: Las diferencias en las puntuaciones entre los archivos STL y sus correspondientes modelos impresos fueron mínimas. Esto confirma que los errores introducidos durante las etapas de segmentación y conversión de archivos se propagan directamente al modelo impreso, y que las imprecisiones de impresión no fueron suficientes para alterar los grados del 3DAS en este estudio.
• Fiabilidad: La puntuación mostró una alta concordancia entre los investigadores (sin discrepancias que excedieran los 0.5 mm), y la auditoría ciega confirmó resultados de calificación idénticos, lo que sugiere que los criterios del 3DAS están suficientemente definidos para una aplicación reproducible.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma que el 3DAS llena un vacío crítico en los flujos de trabajo dentales digitales al permitir el control de calidad independiente antes de la planificación del tratamiento. La identificación de la calidad de la segmentación como el objetivo principal para el control de calidad se presenta como un hallazgo clave; esto sugiere que los clínicos no pueden asumir que un escaneo CBCT de alta calidad resultará en un modelo de alta fidelidad si el flujo de trabajo de segmentación es inadecuado.

Los autores señalan que los grados bajos de 3DAS tienen consecuencias clínicas directas. Por ejemplo, una puntuación de Grado III (4–6% de desviación) podría resultar en discrepancias de longitud de 2–2.5 mm para un implante zigomático de 50 mm, lo que podría comprometer los márgenes de seguridad cerca de estructuras anatómicas críticas. En flujos de trabajo que involucran implantes específicos para el paciente (PSI), los errores de segmentación en etapas previas se incorporan físicamente en la geometría del implante, afectando el ajuste y los resultados quirúrgicos.

El estudio reconoce las limitaciones, incluyendo la naturaleza piloto de la investigación (tres escaneos, siete proveedores) y la exclusión de la mandíbula. Los autores afirman que se requiere trabajo futuro para validar el 3DAS en conjuntos de datos más grandes, extender su aplicación a otras regiones anatómicas y explorar si los umbrales de calificación necesitan ajustes para flujos de trabajo complejos específicos. El artículo no pretende una aplicabilidad universal en esta etapa, sino que posiciona al 3DAS como una herramienta fundamental para mejorar la fiabilidad de los flujos de trabajo digitales subcontratados.