PRINCIPI BASE
La modellazione e simulazione phisics based si basa sull’ impiego di tecnologie adatte a modellare , analizzare e replicare nel mondo virtuale il comportamento fisico di oggetti e persone reali simulando fenomeni quali il movimento , la deformazione e le complesse dinamiche che regolano il funzionamento delle catene cinematiche del corpo umano e le interazioni di esso con l ‘ ambiente circostante. Per simulatore si intende un modello della realtà che consente di valutare e prevedere lo svolgersi dinamico di una serie di eventi o processi susseguenti all’imposizione di certe condizioni da parte dell’analista o dell’utente. Comprendere i principi base della simulazione digitale significa poterne apprezzare le potenzialità ma certamente anche i limiti. Ciò è particolarmente importante per talune applicazioni come il morphing dei tessuti molli poiché ciò ha implicazioni decisamente pratiche ad esempio per la programmazione di dispositivi medici su misura ortodontici in dentizione mista.
Vediamo quindi ciascuno di questi principi in relazione alle procedure diagnostiche e terapeutiche impiegate in odontoiatria e alle loro implicazioni nella pratica clinica quotidiana.
1 – Controllo , verifica e riproducibilità dei dati con cui viene allestito il modello.
Quando effettuiamo le scansioni delle arcate dentali di un paziente l’ obbiettivo fondamentale è quello di ottenere la riproduzione digitale dei denti e delle mucose nel modo più fedele possibile ( accuratezza ) . La realtà è costituita dalle arcate dentali del paziente mentre il modello è rappresentato dalle scansioni delle arcate dentali e cioè da una coppia di mesh. Per poter stabilire l’ accuratezza dello scanner dovremmo potere in qualche modo misurare sia il modello che la mesh. In realtà ciò è molto difficile è generalmente spostiamo il problema, effettuando la scansione di un oggetto di forma nota ( es. un dente estratto, o un modello di una arcata dentale ) con punti di repere certi e facilmente identificabili , e successivamente eseguendo un confronto tra la misura analogica ottenuta ad esempio con un micrometro o un tastatore digitale e la misura ottenuta con il software che utilizziamo per analizzare la mesh. Ovviamente in questo modo introduciamo un altro elemento di incertezza ovvero la accuratezza del micrometro o del tastatore ma ciò è inevitabile , l’ errore come vedremo fà parte del gioco. Per questo semplice esperimento basta disporre di un dente estratto o di un modello di una arcata dentale ed uno scanner per cercare di misurare l’ accuratezza dello scanner che utilizziamo abitualmente. Possiamo però fare anche un altra cosa alquanto interessante e cioè misurare la precisione del nostro scanner effettuando più volte le scansioni della stessa arcata dentale. A questo punto avremo ottenuto una serie di mesh e potremo allinearle tra loro. In teoria dovremmo facilmente allineare mesh identiche tra loro e misurare il grado di convergenza dei dati ottenuti. In questo modo possiamo verificare se la nostra tecnica di scansione e/o il nostro scanner ci consente di ottenere un dato riproducibile. Nota la capacità di riprodurre un dato da parte dello scanner potremo eseguire scansioni delle arcate dentali di un paziente bruxista distanziate di sei mesi ed entro certi limiti verificare come l’ usura da fatica evolve nel tempo. Allo stesso modo possiamo valutare la capacità dello scanner di riprodurre una relazione intermascellare e cioè le relazioni che si stabiliscono tra i denti ad esempio in posizione di massima inter-cuspidazione. Ciò ci permetterà di valutare l’ attendibilità dei risultati quando confrontiamo due scansioni a distanza di tempo per giudicare la stabilità di un risultato ottenuto da una terapia protesica od ortodontica. In altri termini l’ errore intrinseco di misura ( accuratezza ) è accettabile se entro certi limiti ( tolleranza ) poco gestibile se l’ errore non è costante e cioè se il dato a causa di ciò non è riproducibile ( precisione ).
Sino a questo punto le cose appaino piuttosto semplice ma in realtà esse stanno in tutt’ altro modo. Per renderci conto di quanto sia complesso il problema basta prendere un modello di una arcata dentale ed effettuare alcune scansioni e provare ad allinearle tra di loro. Come è possibile osservare dalle immagini della gallery ci accorgeremo che i risultati sono tutt’ altro che confortanti. Se però man mano riduciamo le porzioni della mesh da allineare i risultati migliorano velocemente almeno per quanto riguarda il problema della precisione ovvero della ripetibilità del dato. In pratica lo scanner ( ? ) , la tecnica di scansione ( ? ) , gli algoritmi usati dal software ( ? ) per comporre l’ immagine 3d funzionano piuttosto bene per quanto riguarda la forma ed il volume delle parti che compongono l’ oggetto molto bene bene per quanto riguarda le loro relazioni spaziali. Se duplichiamo una mesh vediamo che il sistema di allineamento ICP funziona con precisione altissima , il punto è che il risultato poco soddisfacente con mesh differenti dipende semplicemente dal fatto che esse non sono ” uguali ” tra loro e tra le altre cose è difficile avere una stima precisa di quanto siano differenti rispetto all’ oggetto originale. Ovviamente si aggiunga che la rilevanza da un punto di vista clinico del problema è differente a seconda il dispositivo medico su misura da produrre sia una corona protesica o un allineatore ortodontico prodotto per termoformatura utilizzando un modello prodotto per stampa 3d.
- L’ immagine è ottenuta allineando due mesh ottenute per copia digitale e pertanto identiche. La tecnica di allineamento ICP ottiene quale risultato un allineamento perfetto. In blu sono rappresentati i punti per i quali la discrepanza in termini di allineamento è pari a zero.
- L’ immagine è ottenuta allineando due mesh ottenute per scansione del modello di una arcata dentale. In blu i punti per i quali la discrepanza è pari a zero micron , in rosso i punti per i quali la discrepanza e compresa entro 50 micron.
- Riducendo le parti della mesh da allineare appare evidente come aumentino in modo significativo i punti per i quali la discrepanza e pari a 0 micron.
- Le immagini sono state ottenute allineando due mesh ottenute per scansione di un modello di una arcata dentale. Il risultato differente dipende dalla selezione delle aree da allineare. Ciò dimostra che il problema non riguarda tanto forma e dimensione delle parti che compongono l’ oggetto quanto dalla loro relazioni spaziali.
2- Qualita’ dei dati di allestimento in ordine allo loro somiglianza con l’ oggetto da modellare.
La somiglianza di un modello all’ originale non è solo condizionata dall’ accuratezza ma anche da altri parametri quali la somiglianza con ciò intendendo riferirsi nel caso del volto umano alla mimica o per esempio al colore reale della cute o dei denti. La ricostruzione 3d del volto umano ,mediante fotogrammetria da la possibilità di effettuare simulazioni non solo estremamente realistiche riguardo i risultati della terapia ma anche vantaggi tecnici di monitoraggio della stessa.
Per somiglianza di un modello all’ originale si intende anche la possibilità del modello di replicare oltre alle dimensioni anche caratteristiche specifiche intrinseche come il colore della cute o dei denti o un espressione.( sorriso )
3- Esistenza di una teoria che giustifichi l’allestimento del modello.
Le motivazioni per cui viene allestito un simulatore digitale dell’ organo masticatorio comprensivo del cranio intero sono quanto mai varie e possono essere di natura tecnica , ad esempio allo scopo di riprodurre quanto meglio possibile i movimenti della mandibola , o come abbiamo visto legati alla necessità di pre-visualizzare la valenza estetica della terapia odontoiatrica che intendiamo eseguire . Ovviamente a seconda dei punti di vista l’ allestimento di un modello digitale può essere giustificato oppure no. Se in epoca pre-digitale abbiamo utilizzato arco facciale ed articolatore analogici in conseguenza delle teorie che ne sostengono l’ impiego in odontoiatria , è piuttosto evidente che il cambio di strumenti ( da analogico a digitale ) nulla cambia in relazione alla giustificazione del loro impiego.
4- Necessarietà del modello senza il quale non e’ possibile o difficoltoso ottenere il risultato.
Definire ciò che è necessario o no in Odontoiatria è una impresa di fatto non possibile poiché ciascun curante decide in scienza e coscienza cosa sia opportuno eseguire sia per quanto riguarda la diagnosi che la terapia per ciascun paziente. E’ d’ altra parte innegabile che alcune operazioni non siano eseguibili o molto difficilmente eseguibili in assenza di un simulatore digitale. Cio non significa che la simulazione in quanto eseguibile sia corretta e ciò vale in particolare per il morphing dei tessuti molli. Tale pratica non riguarda solo casi avanzati di chirurgia ortognatica ma come vedremo ha un impatto pratico nel quotidiano per quanto riguarda la produzione dei modelli delle arcate dentali destinati alla produzione per termoformatura degli allineatori ortodontici.
5- Quantificazione degli errori intrinseci ed estrinseci e cioè validazione della metodica.
Validare una metodica significa stabilire quale è il grado di convergenza fra quanto ottenuto e quanto
atteso. Tanto maggiore risulta essere il grado di convergenza tanto maggiore risulta essere il grado di validità del procedimento L’ obiettivo é ridurre l’errore sino a renderlo clinicamente irrilevante per la sua entità’ o per la possibilità di correggerlo ulteriormente.Tanto maggiore risulta essere il grado di convergenza tanto maggiore risulta essere il grado di validità del procedimento.
6- Il modello deve essere il risultato di un contesto della prova rigoroso, predisposto in modo tale da non essere minimamente influenzato dalle aspettative e dall’interpretazione soggettiva dell’osservatore.
Se è possibile allestire un simulatore in modo rigoroso in maniera tale che esso quanto meno da un punto di vista strutturale non sia influenzato dai convincimenti ed aspettative dell’ allestitore ma unicamente dalle tecnologie impiegate , le cose si complicano nel momento in cui si esegue la simulazione. In pratica siamo certi che ciò che stiamo simulando sia esattamente trasferibile dal modello all’ originale ? Certamente no , o meglio la certezza del risultato è variabile in funzione dei tessuti interessati dalla simulazione e dalla complessità della stessa. Un esempio lampante di simulazione a rischio di errore è il morphing dei tessuti molli mentre ben meno rischiosa è la simulazione di una terapia ortodontica e cioè il set-up ortodontico. Inoltre consideriamo che l’ apparato stomatognatico è certamente un sistema complesso mentre il suo modello digitale non lo è. Si definiscono complessi quei sistemi le cui componenti evidenziano continue variazioni, che in buona parte possono essere descritte, ma per i quali è piuttosto difficoltoso prevedere una condizione futura. Per quanto tempo l’apparato stomatognatico di un nostro paziente rimarrà in una condizione di salute, quali saranno gli effetti di una terapia complessa?
Il corpo umano è tipicamente un sistema complesso e certamente lo è come abbiamo detto l’apparato stomatognatico. Una delle caratteristiche fondamentali dei sistemi complessi è la capacità di produrre un comportamento emergente cioè un comportamento articolato non prevedibile e non desumibile dalla semplice sommatoria degli elementi che compongono il sistema .Il comportamento emergente è la situazione nella quale un sistema esibisce proprietà o effetti non spiegabili sulla base delle leggi che governano le sue componenti. Tale comportamento è il risultato di interazioni non-lineari tra le componenti stesse.
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