Αυτοματοποιημένη μέθοδος εντοπισμού και διάγνωσης μασητικών τερηδονικών βλαβών κατά ICDAS II με την ανάπτυξη ενός συστήματος ανάλυσης ψηφιακών φωτογραφιών των δοντιών
Authors: Μπερδούσης Ηλίας 
Published: August 2021

ΕισαγωγήΤα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί μια σημαντική μείωση της τερηδόνας σε πληθυσμούς τόσο των βιομηχανικών χωρών, όσο και στη χώρα μας. Η μείωση αυτή αποδίδεται κυρίως στην ευρεία χρήση φθορίου γι’ αυτό και εντοπίζεται κυρίως στις λείες επιφάνειες των δοντιών, ενώ είναι ελάχιστη μέχρι μηδαμινή στις μασητικές. Αυτός είναι και ο λόγος της αύξησης του ποσοστού της τερηδονικής προσβολής των μασητικών επιφανειών σε σχέση με τις λείες. Οι μασητικές επιφάνειες γίνονται περισσότερο ευάλωτες αφενός γιατί το φθόριο προσφέρει μικρή προστασία σ’ αυτές αφετέρου η πολύπλοκη μορφολογία τους και η δυσκολία αφαίρεσης της οδοντικής μικροβιακής πλάκας από τις περιοχές αυτές επιδεινώνουν το πρόβλημα. Η κατακράτηση οδοντικής πλάκας σε συνδυασμό με την προσρόφηση χρωστικών έχουν σαν αποτέλεσμα να γίνεται πολύ δύσκολη και η κλινική αξιολόγηση και διάγνωση μίας μασητικής τερηδόνας και ιδιαίτερα όταν αυτή βρίσκεται στα αρχικά της στάδια. Γι΄ αυτό και σε πολλές μελέτες έχει δειχθεί ότι υπάρχει μια μεγάλη διακύμανση στις αποφάσεις των οδοντιάτρων στην αξιολόγηση των μασητικών επιφανειών, με ένα σημαντικό ποσοστό αυτών να είναι στη λανθασμένες.Είναι επίσης γνωστό ότι η έγκυρη και έγκαιρη διάγνωσή της τερηδόνας των μασητικών επιφανειών αποτελεί βασική προϋπόθεση για την λήψη της σωστής απόφασης σχετικά με την θεραπευτική παρέμβαση μας είτε με την εφαρμογή της σωστής προληπτικής αντιμετώπισης των μασητικών βλαβών ή της αντιμετώπισης στη λογική της “ελάχιστης παρέμβασης”. Για τους λόγους αυτούς η έρευνα έχει κατευθυνθεί στην ανάπτυξη συστημάτων κωδικοποίησης των μασητικών βλαβών με βάση οπτικά κριτήρια, που στόχο έχουν να βοηθήσουν τον κλινικό να κατατάσσει την κατάσταση μιας μασητικής επιφάνειας με πιο αξιόπιστο και επαναλαμβανόμενο τρόπο, ώστε να μειωθούν οι λάθος αποφάσεις. Το πιο διαδεδομένο σύστημα κατάταξης τερηδονικών βλαβών σύμφωνα με τα οπτικά τους κριτήρια είναι το σύστημα ICDAS II.Ταυτόχρονα αναπτύσσονται και συστήματα διάγνωσης των μασητικών βλαβών που στηρίζονται στην μέτρηση των αλλαγών των φυσικών και οπτικών ιδιοτήτων της αδαμαντίνης. Το πλήθος αυτών των τεχνικών φανερώνει ότι μέχρι σήμερα δεν έχει αναπτυχθεί ένα σύστημα που να κάνει έγκυρη διάγνωση των τερηδονικών βλαβών και να τις κατατάσσει αξιόπιστα με βάση το σύστημα ICDAS IΙ. ΣκοπόςΣκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να αναπτυχτεί ένας τρόπος διάγνωσης ο οποίος αυτοματοποιημένα και χωρίς παρέμβαση, μέσω ενός αλγόριθμου, να μπορεί να εντοπίζει και να κατατάσσει τις μασητικές τερηδονικές βλάβες σε μόνιμα οπίσθια δόντια σύμφωνα με το σύστημα ICDAS ΙΙ και στη συνέχεια να αξιολογηθεί η αξιοπιστία του σε σχέση με έμπειρους εξεταστές αλλά και με την ιστολογική εικόνα επιλεγμένων περιοχών. Ο αλγόριθμος αυτός ονομάστηκε ACDS (Automated Caries Diagnosis System.Υλικά και μέθοδοςΓια τις ανάγκες αυτής της μελέτης αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος ο ποίος αποτελείται από 2 στάδια. Στο πρώτο στάδιο αναπτύχθηκε το τμήμα του αλγόριθμου το οποίο αξιολογεί τις μασητικές επιφάνειες και εντοπίζει τις περιοχές οι οποίες θα πρέπει να αξιολογηθούν για την ύπαρξη τερηδόνας. Η αξιολόγηση αυτή γίνεται αυτοματοποιημένα χωρίς την παρέμβαση του χρήστη . Τέτοιες περιοχές είναι κυρίως οι οπές και σχισμές των μασητικών επιφανειών καθώς και περιοχές με απασβεστιώσεις ή/και δυσχρωμίες. Στο δεύτερο στάδιο ο αλγόριθμος πάλι χωρίς την παρέμβαση από τον χρήστη κατατάσσει τις περιοχές που έχουν εντοπισθεί κατά το προηγούμενο στάδιο σύμφωνα με το σύστημα ICDAS ΙΙ.Στη συνέχεια αξιολογήθηκε η κατάταξη των μασητικών βλαβών που έκανε ο αλγόριθμος κατά το σύστημα ICDAS II σε σχέση με την κλινική κατάταξη των επιφανειών που έκαναν 2 έμπειροι εξεταστές. Τέλος, επιλέχθηκαν 53 μασητικές περιοχές οι οποίες αξιολογήθηκαν και ιστολογικά και τα αποτελέσματά τους συγκρίθηκαν με την κατάταξη του αλγόριθμου.Χρησιμοποιήθηκαν 103 οπίσθια εξαγμένα δόντια από τα οποία ελήφθησαν ψηφιακές φωτογραφίες σε σταθερές συνθήκες. Οι φωτογραφίες αυτές στη συνέχεια αξιολογήθηκαν από 2 έμπειρους εξεταστές οι οποίοι κατέταξαν τις μασητικές περιοχές σε κατηγορίες από 0 έως 6 κατά το σύστημα ICDAS II. Κάθε μασητική επιφάνεια μπορεί να είχε περισσότερες από μια τιμή ICDAS II ανάλογα με την κλινική της εικόνα. Στη συνέχεια οι εικόνες επεξεργάστηκαν από το σύστημα ICDAS II και η κατάταξη του συστήματος συγκρίθηκε με την κατάταξη από τους εξεταστές. Στην συνέχεια επιλέχθηκαν 18 δόντια για τα οποία υπήρχαν οι αρχικές φωτογραφίες των μασητικών επιφανειών και χρησιμοποιήθηκαν για την σύγκριση των αποτελεσμάτων του αλγόριθμου ACDS με την ιστολογική εικόνα των περιοχών. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 40 τομές και αξιολογήθηκαν 53 σημεία διερεύνησης τα οποία ταξινομήθηκαν ανάλογα με την ιστολογική τους εικόνα σύμφωνα με το σύστημα ERK.ΑποτελέσματαΤο πρώτο ερώτημα που διερευνήθηκε ήταν αν το ACDS μπορεί να εντοπίσει σωστά τις περιοχές των μασητικών επιφανειών που πρέπει να αξιολογηθούν. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν 103 ψηφιακές φωτογραφίες μασητικών επιφανειών στις οποίες οι εξεταστές προσδιόρισαν 425 περιοχές ενδιαφέροντος. Το ACDS προσδιόρισε 340 περιοχές (αληθώς σωστές). Το πλήθος των ψευδώς αρνητικών επιφανειών ήταν 85 και το πλήθος των ψευδώς θετικών 118. Από τις 118 επιφάνειες 42 είχαν χαρακτηριστεί από τους εξεταστές σαν περιοχές με τερηδόνα (ICDAS >2) και 76 σαν απασβεστιώσεις (ICDAS 1 ή 2). Η ευαισθησία (sensitivity) της τεχνικής είναι 0,80, η ορθότητα (accuracy) 0,80 και η ακρίβεια (precision) 0,74. Μετά το στάδιο του προσδιορισμού των επιφανειών ενδιαφέροντος εφαρμόστηκε η διαδικασία ταξινόμησης τους. Η αποτελεσματικότητα του ACDS εξετάστηκε για δύο περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση έγινε η παραδοχή ότι όσες επιφάνειες προσδιορίστηκαν από τους εξεταστές σαν ICDAS 0 (υγιείς) και η μέθοδος δεν αναγνώρισε θεωρούνται σαν να έχουν καταταχθεί σωστά από το ACDS. Σε αυτή την περίπτωση ο μέσος όρος (μέση απόκλιση) της ευαισθησίας και της ειδικότητας της τεχνικής για όλες τις κατηγορίες ICDAS II είναι 0,89 (0,12) και 0,97 (0,05) αντιστοίχως ενώ η ακρίβεια 0,82 (0,19). Η ορθότητα βρέθηκε να είναι 0,83 και ο συντελεστής kappa 0,78. Τα αποτελέσματα κατάταξης του ACDS μελετήθηκαν επίσης και χωρίς την παραδοχή σαν ορθών των περιοχών που δεν ανίχνευσε η μέθοδος ACDS και οι εξεταστές τις κατέταξαν σαν υγιείς. Σε αυτή τη περίπτωση ο μέσος όρος (μέση απόκλιση) της ευαισθησίας και της ειδικότητας της τεχνικής είναι 0,80 (0,18) και 0,96 (0,04) αντιστοίχως ενώ η ακρίβεια 0,79 (0,17). Η ορθότητα βρέθηκε να είναι 0,79 και ο συντελεστής kappa 0,74. Το σύστημα ταξινόμησης ICDAS II δημιουργήθηκε για να κατατάξει αφ’ ενός τις τερηδονικές βλάβες σύμφωνα με τα διάφορα στάδια εξέλιξης τους με βάση οπτικά κριτήρια αλλά κυρίως με βάση αυτή την κατάταξη να μπορεί να προσδιορίσει την προτεινόμενη θεραπεία για την επιφάνεια. Από κλινική άποψη επομένως θα ήταν σημαντικό τα ταξινομηθούν οι βλάβες σε 3 κατηγορίες ανάλογα με την ανάγκη θεραπείας που έχουν. Οι τρείς αυτές κατηγορίες θα ήταν υγιείς επιφάνειες (Α), αρχόμενες βλάβες που απαιτούν προληπτική παρέμβαση (Β) και μέτριες ή εκτεταμένες βλάβες που χρειάζονται αποκατάσταση (Γ). Με αυτό το σκεπτικό οι 7 κατηγορίες του συστήματος ICDAS II αντιστοιχίστηκαν σε τρείς κατηγορίες. Στην κατηγορία υγιείς επιφάνειες (Α) αντιστοιχήθηκε η κατηγορία ICDAS II-0, στην κατηγορία αρχόμενες βλάβες (Β) οι κατηγορίες ICDAS II 1 και 2 και στην κατηγορία μέτριες ή εκτεταμένες βλάβες (Γ) οι κατηγορίες ICDAS II από 3 έως 6.Όπως και στην προηγούμενη κατηγοριοποίηση έτσι και σε αυτή τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν αφενός με την παραδοχή ότι όσες επιφάνειες προσδιορίστηκαν από τους εξεταστές σαν ICDAS 0 (υγιείς) και η μέθοδος δεν αναγνώρισε θεωρούνται σαν να έχουν καταταχθεί σωστά από το ACDS. Βρέθηκε ότι ο μέσος όρος (μέση απόκλιση) για την ευαισθησία και την ειδικότητα είναι 0,89 (0,11) και 0,93 (0,08) ενώ η ακρίβεια, η ορθότητα και ο συντελεστής kappa βρέθηκαν να είναι 0,88 (0,16), 0,86 και 0,78 αντιστοίχως.Όταν τα αποτελέσματα το ACDS αξιολογήθηκαν επίσης και με την παραδοχή ότι οι υγιείς περιοχές, όπως κατατάχθηκαν από τους εξεταστές, οι οποίες δεν εντοπίστηκαν από τη μέθοδο θεωρήθηκαν ότι είχαν λάθος κατάταξη. Σε αυτή τη περίπτωση ο μέσος όρος (μέση απόκλιση) για την ευαισθησία και την ειδικότητα είναι 0,86 (0,12) και 0,92 (0,06) ενώ η ακρίβεια, η ορθότητα και ο συντελεστής kappa βρέθηκαν να είναι 0,82 (0,12), 0,83 και 0,78 αντιστοίχως.Για την ιστολογική κατάταξη ορίστηκαν τα διαγνωστικά κατώφλια κατά Ekstrand (ERK2, ERK3). Το διαγνωστικό κατώφλι ΕRK2 ορίστηκε έτσι ώστε ιστολογικές κατατάξεις με τιμή ίση ή μεγαλύτερη από 2 κατά ERK προσδιορίζονται σαν βλάβες, ενώ στο διαγνωστικό κατώφλι ΕRK3 σαν βλάβες προσδιορίζονται ιστολογικές κατατάξεις ίσες-μεγαλύτερες από 3 κατά ERK. Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθούν τα διαγνωστικά κατώφλια ΕRK2 και ΕRK3 διότι το όριο τερηδόνας που αντιπροσωπεύουν βρίσκεται βαθύτερα από την αδαμαντινοοδοντινική ένωση, μεταξύ του εξώτερου και του μέσου τριτημορίου της οδοντίνης. Αντιστοίχως ορίστηκαν και τα διαγνωστικά κατώφλια ICDAS2 και ICDAS3. Σύμφωνα με το πρώτο κατώφλι τερηδονισμένες περιοχές θεωρούνται οι περιοχές που κατατάχθηκαν από το ACDS με τιμή ίση ή μεγαλύτερη από 2 και για το δεύτερο κατώφλι οι περιοχές που κατατάχθηκαν με τιμή ίση ή μεγαλύτερη από 3. Έγιναν επομένως 4 συγκρίσεις. Η πιο ισορροπημένη συμφωνία ανάμεσα στην ιστολογική εικόνα και το ACDS είναι όταν χρησιμοποιείται το κατώφλι ERK3 με το ICDAS3. Σε αυτή τη σύγκριση η συμφωνία βρέθηκε να είναι 92,5%, η ευαισθησία και η ειδικότητα βρέθηκαν να είναι 100% και 91,1% αντιστοίχως ενώ η τιμή kappa είναι 0,76. Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα της σύγκρισης της οπτικής κατάταξης των βλαβών από τους εξεταστές και της ιστολογικής εικόνας. Ο συνδυασμός ERK3 με το ICDAS3 έδειξε ευαισθησία και ειδικότητα 100% και 95,6% αντιστοίχως ενώ η συμφωνία βρέθηκε να είναι 96,2% και η τιμή kappa είναι 0,87.Συμπεράσματα1.Το ACDS είναι το πρώτο αυτοματοποιημένο σύστημα που χρησιμοποιεί ψηφιακή φωτογραφία της μασητικής επιφάνειας του δοντιού και όχι μόνο αναγνωρίζει μασητικές περιοχές με πιθανή τερηδονική βλάβη αλλά τις ταξινομεί σύμφωνα με το σύστημα ICDAS II. 2.Το σύστημα δεν απαιτεί την παρέμβαση του οδοντίατρου σε κανένα στάδιο της διαδικασίας δίνοντας μια αντικειμενική κατάταξη της βλάβης αποκλείοντας έτσι την υποκειμενικότητα του ανθρώπινου παράγοντα.3.Όταν το ACDS ταξινομεί τις βλάβες στις 7 κατηγορίες του συστήματος ICDAS II η τιμή της ευαισθησίας είναι 0,80, της ειδικότητας 0,96, της ακρίβειας (accuracy) 0,80 και ορθότητας (precision) 0,80, ο δε συντελεστής συσχέτισης k=0,74.4.Όταν το ACDS ταξινομεί τις βλάβες στις σε 3 κατηγορίες (ICDAS=0, ICDAS=1 ή 2 και ICDAS≥3) η τιμή της ευαισθησίας είναι 0,89, της ειδικότητας 0,93, της ακρίβειας (accuracy) 0,88 και ορθότητας (precision) 0,86, ο δε συντελεστής συσχέτισης k=0,78.5.Το ASDC κατατάσσει τις διαφορετικές περιοχές της μασητικής επιφάνειας ξεχωριστά δίνοντας έτσι τη δυνατότητα να έχουν θεραπευτική αντιμετώπιση ανάλογη με τη βαρύτητα που εμφανίζουν.6.Μπορεί να ενσωματώσει με εύκολο και αποτελεσματικό τρόπο στον αλγόριθμο του νέα γνώση σχετικά με τον εντοπισμό και την ταξινόμηση μασητικών τερηδονικών βλαβών7.Το σύστημα μπορεί να “εκπαιδεύεται” επομένως αν δημιουργηθεί μια βάση εικόνων με βλάβες με γνωστή ταξινόμηση κατά ICDAS II θα βελτιωθεί η αξιοπιστία του συστήματος.Θέματα μελλοντικών μελετών1.Δημιουργία βάσης εικόνων με γνωστή κατάταξη μασητικών βλαβών κατά ICDAS II, εκπαίδευση του ACDS και αξιολόγηση την επίδραση της εκπαίδευσης στην αξιοπιστία του συστήματος.2.Μελέτη της επίδρασης στην αξιοπιστία του συστήματος της ταυτόχρονης αξιολόγησης από το ACDS εικόνων στο ορατό φώς και στο υπέρυθρο φάσμα.3.Μελέτη της αξιοπιστίας του συστήματος σε εικόνες από ενδοστοματικές λήψεις μασητικών επιφανειών.