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

Sintesi Tecnica: 3DAS – Un punteggio per valutare la fedeltà dei modelli 3D STL e stampati

Problematica
I modelli stampati in 3D e i relativi file STL sono sempre più utilizzati nell'implantologia e nella chirurgia orale e maxillo-facciale per la diagnosi, la pianificazione chirurgica e la prova procedurale. Tuttavia, l'affidabilità clinica di questi flussi di lavoro è criticamente limitata dall'accuratezza dei modelli. Errori dimensionali possono verificarsi in qualsiasi fase del processo digitale: dall'acquisizione delle immagini e la segmentazione, fino alla ricostruzione della superficie e alla stampa. Nonostante la diffusione di queste tecnologie, non esiste un metodo standardizzato e orientato alla clinica che permetta ai clinici di verificare indipendentemente la fedeltà dei file STL o dei modelli stampati prima dell'uso. Questa lacuna è particolarmente significativa quando i flussi di lavoro vengono esternalizzati a fornitori esterni, poiché i clinici attualmente mancano di una metrica oggettiva e riproducibile per valutare la qualità del modello. Inoltre, la letteratura esistente spesso riporta valori isolati di veridicità (trueness) o precisione senza integrare la completezza anatomica o la rilevanza clinica, rendendo difficili i confronti tra studi.

Metodologia
Lo studio propone e pilota il 3-Dimensional Accuracy Score (3DAS), una metrica composita progettata per valutare la fedeltà anatomica e l'accuratezza dimensionale dei file STL e dei modelli 3D stampati rispetto alla loro scansione CBCT originale.

• Struttura del punteggio: Il 3DAS è uno strumento graduato che va dal Livello I (migliore) al Livello IV (peggiore). Il grado finale è determinato dalla prestazione peggiore tra due componenti:

  1. Fedeltà Anatomica: Una valutazione qualitativa che confronta il file STL o il modello stampato con il dataset DICOM per verificare la presenza di punti di riferimento anatomici predefiniti (es. forami, creste, condili). Il grado diminuisce di un livello per ogni caratteristica mancante o non identificabile.
  2. Accuratezza Dimensionale: Una valutazione quantitativa che misura la deviazione percentuale assoluta di tre distanze ortogonali (sagittale, coronale, assiale) rispetto al riferimento CBCT. Le soglie sono state stabilite sulla base di una deviazione assoluta di 0,5 mm (circa l'1,25% di errore relativo per un riferimento di 40 mm), definendo il Grado I come ≤2% di deviazione, il Grado II come 2–4%, il Grado III come 4–6% e il Grado IV come >6%.

• Design dello studio pilota:

  • Dataset: Sono state selezionate tre scansioni CBCT maxilla anonimizzate, rappresentanti una qualità d'immagine bassa, media e alta, da una collezione scheletrica storica.
  • Fornitori: Sono stati incaricati sette fornitori commerciali in tutto il mondo (inclusi ZAGA Centers, BTK, 3DBiomodels, ecc.) per generare file STL e, ove disponibile, modelli stampati.
  • Valutazione: Due investigatori calibrati hanno eseguito la valutazione primaria, che è stata successivamente verificata da tre auditor indipendenti e in cieco, che non conoscevano l'identità dei fornitori.

Contributi Chiave

1. Sviluppo del 3DAS: Il documento introduce un quadro pratico e orientato alla clinica che consente ai clinici di verificare indipendentemente la fedeltà del modello utilizzando solo il software di imaging già disponibile nel proprio flusso di lavoro, senza richiedere attrezzature aggiuntive.
2. Identificazione delle fonti di perdita di fedeltà: Lo studio isola la conversione da DICOM a STL (segmentazione) come la fonte dominante di perdita di fedeltà, piuttosto che il processo di stampa 3D stesso.
3. Valutazione Standardizzata: Fornisce un metodo riproducibile per valutare simultaneamente sia la completezza anatomica che l'accuratezza dimensionale, affrontando la mancanza di metriche standardizzate nella letteratura attuale.

Risultati

• Variabilità dei fornitori: Il 3DAS ha saputo distinguere differenze significative di fedeltà tra i fornitori. Un fornitore (ZAGA Centers) ha ottenuto il Grado I in tutti e tre i livelli di qualità CBCT, sia per i file STL che per i modelli stampati. Al contrario, diversi altri fornitori hanno ottenuto costantemente il Grato IV indipendentemente dalla qualità dell'immagine di input.
• Impatto della qualità di input: Per la maggior parte dei fornitori, il grado 3DAS è diminuito al calare della qualità della scansione CBCT di input. Tuttavia, la metodologia di segmentazione sembra essere stata un fattore più dominante rispetto alla sola qualità dell'immagine, poiché alcuni fornitori hanno mantenuto un'alta fedeltà anche con input di bassa qualità, mentre altri hanno fallito con input di alta qualità.
• STL vs Modelli Stampati: Le differenze nei punteggi tra i file STL e i corrispondenti modelli stampati sono state minime. Ciò conferma che gli errori introdotti durante le fasi di segmentazione e conversione del file si propagano direttamente al modello stampato, e le imprecisioni di stampa non sono state sufficienti ad alterare i gradi 3DAS in questo studio.
• Affidabilità: La valutazione è stata altamente concordante tra gli investigatori (nessuna discrepanza superiore a 0,5 mm) e l'audit in cieco ha confermato esiti di valutazione identici, suggerendo che i criteri 3DAS sono sufficientemente definiti per un'applicazione riproducibile.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene che il 3DAS colma una lacuna critica nei flussi di lavoro dentali digitali, consentendo un controllo di qualità indipendente prima della pianificazione del trattamento. L'identificazione della qualità della segmentazione come obiettivo primario per il controllo di qualità è presentata come un risultato chiave; ciò suggerisce che i clinici non possono presumere che una scansione CBCT di alta qualità generi un modello di alta fedeltà se il flusso di lavoro di segmentazione è inadeguato.

Gli autori sottolineano che i bassi punteggi 3DAS hanno conseguenze cliniche dirette. Ad esempio, un punteggio di Grado III (4–6% di deviazione) potrebbe causare discrepanze di lunghezza di 2–2,5 mm per un impianto zigomatico da 50 mm, potenzialmente compromettendo i margini di sicurezza vicino a strutture anatomiche critiche. Nei flussi di lavoro che coinvolgono impianti personalizzati (PSI), gli errori di segmentazione a monte vengono incorporati fisicamente nella geometria dell'impianto, influenzando la vestibilità e gli esiti chirurgici.

Lo studio riconosce i limiti, tra cui la natura pilota della ricerca (tre scansioni, sette fornitori) e l'esclusione della mandibola. Gli autori affermano che sono necessari ulteriori lavori per validare il 3DAS in dataset più ampi, estendere la sua applicazione ad altre regioni anatomiche ed esplorare se le soglie di valutazione debbano essere regolate per specifici flussi di lavoro complessi. Il documento non rivendica una universalità in questa fase, ma pone il 3DAS come uno strumento fondamentale per migliorare l'affidabilità dei flussi di lavoro digitali esternalizzati.