AI kan snart hjælpe med at få bøjlen på tænderne

Mange af os kender følelsen af et sæt togskinner, der strammer på tænderne og løbende skal rettes til hos tandlægen. For hvert år får omkring 30 procent af danske børn op til 15-års alderen bøjle på for at rette de skæve tænder. Et indgreb, som den enkelte tandlæge udfører ud fra sin uddannelse og erfaring uden dog at have de samme muligheder, som en computer har for at forudsige det endelige resultat.

Men med et nyt værktøj udviklet i et samarbejde mellem Datalogisk Institut på Københavns Universitet og virksomheden 3Shape, kan man nu simulere, hvordan tandbøjlen skal sidde for at give det bedste resultat uden for mange unødvendige gener.

Værktøjet er udviklet ved hjælp af skanningsbilleder af tænder og knoglestrukturer i menneskelige kæber som en kunstig intelligens bruger til at forudsige, hvordan tandbøjlen skal designes for at rette tænderne op.

”Vores simulering kan fortælle tandlægen, hvor bøjlen skal trykke, og hvor den ikke skal, for at få lige tænder. Et indgreb, som i dag afgøres fuldstændig ud fra den enkelte tandlæges skøn, og som i høj grad handler om at prøve sig frem. Og det kan betyde mange løbende tilretninger og besøg hos tandlægen, som vores simulering på sigt kan hjælpe med minimere,” siger professor Kenny Erleben, sektionsleder for forskningssektionen IMAGE (Image Analysis, Computational Modelling and Geometry) på Datalogisk Institut.

Hjælper med at forudsige tændernes bevægelse

Og det er ikke mærkeligt, at det kan være svært at forudsige præcist, hvordan bøjlen vil flytte tænderne. For vores tandsæt flytter sig faktisk en lille smule hele livet igennem. Bevægelser som er meget forskellige fra mund til mund.

”At tændernes bevægelser varierer fra en patient til en anden, gør det endnu mere udfordrende at forudsige tandbevægelser nøjagtigt for forskellige personer. Derfor har vi udviklet et nyt værktøj og et datasæt af forskellige modeller der hjælper med at overkomme disse udfordringer,” forklarer Torkan Gholamalizadeh fra 3shape og ph.d. fra Datalogisk Institut.

Som alternativ til den klassiske ”togskinne” er en ny generation af tandbøjler begyndt at vinde frem. Bøjlen er udformet som en gennemsigtig afstøbning af tænderne lavet af plastik, som patienten tager uden på tænderne.

Patienten skal gå med bøjlen i mindst 22 timer i døgnet og den skal skiftes til en ny og strammere udgave hver anden uge. Men fordi bøjlen er lavet af plastik, ændrer tænderne også bøjlens form, men det tager det nye værktøj også højde for.

”Fordi de gennemsigtige bøjler er blødere end metalbøjlerne, gør det det endnu mere kompliceret at beregne, hvor meget kraft der skal til for at flytte tænderne. Men det er en faktor, som vi også har lært vores model at tage højde for, så man også kan forudsige tandbevægelser, når man bruger gennemsigtige bøjler,” siger Torkan Gholamalizadeh.

Digitale tvillinger kan gøre behandlingen bedre

Forskerne har altså lavet en computermodel, der skaber nøjagtige 3D-simuleringer af den enkelte patients kæbe, og som tandlæger og -teknikere kan bruge til at planlægge den bedst mulige behandling ud fra.

For at lave simuleringerne har forskerne kortlagt menneskers tandsæt ved hjælp af detaljerede CT-skanninger af tænder og af de små, fine strukturer mellem kæbeknoglen og tænderne kaldet peridontal-ligamenter – en slags fiberrigt bindevæv som holder tanden fast i kæben.

En sådan præcis digital efterligning kaldes en digital tvilling – og i denne sammenhæng har forskerne opbygget en database med ’digitale tandpatienter’.

Men forskernes database rummer også andre digitale patienttyper, som kan komme flere dele af sundhedsområdet til gavn i fremtiden:

”Lige nu har vi en database med digitale patienter, som vi ikke alene kan bruge til at simulere tandbøjle-design, men også fx hofteimplantater. Og det kan på længere sigt spare den enkelte patient for meget besvær og samfundet for en hel del ressourcer,” siger Kenny Erleben.

Forskningsområdet med de digitale tvillinger er forholdsvist nyt, og faktisk er professor Kenny Erlebens database med virtuelle patienter p.t. verdensførende. Men databasen skal dog gerne vokse sig endnu større, så de digitale tvillinger for alvor kan komme sundhedsområdet og samfundet til gavn.

”Med flere data har vi mulighed for at simulere behandlinger og tilpasse medicinsk udstyr, så vi rammer mere præcist på tværs af hele befolkningsgrupper,” siger Kenny Erleben.

Derudover skal værktøjet igennem forskellige myndighedsgodkendelser, før det bliver rullet ud til tandlægerne. Noget forskerne håber kommer til at ske inden for en overskuelig fremtid.

Om digitale tvillinger:

En digital tvilling er en virtuel model, som lever i skyen designet til nøjagtigt at afspejle et menneske, fysisk objekt, system eller en proces fra den virkelige verden.

”Den virtuelle model kan svare på, hvad der sker i den rigtige verden, og det kan den gøre øjeblikkeligt. Fx kan man spørge hvad sker der, hvis man skubber på en tand og få svar på, hvor flytter den sig hen og hvordan påvirker det de andre tænder. Det kan man gøre hurtigt, så man ved hvad der sker. I dag skal man vente i uger før man kan se om det har den ønskede effekt,” siger professor Kenny Erleben.

De digitale tvillinger kan bruges til at planlægge, designe og optimere og kan på den måde bruges til drift af virksomheder, robotter, fabrikker og bruges på områder som energi, sundhed og meget mere.

Et af målene for arbejdet med digitale tvillinger på Datalogisk Institut er at kunne lave simuleringer af populationer for eksempel på sundhedsområdet. Hvis der arbejdes med et medicinsk produkt, skal de virtuelle personer udsættes for dette og testes for, hvad der sker i mange forskellige situationer. Simuleringen giver et billede af, hvad der sker med de enkelte – og til sidst for en hel population.

Om forskningen:

I studiet har forskerne udviklet et simuleringsværktøj ved hjælp af CT-skanninger af tænder, som kan forudsige, hvordan en tandbøjle bedst skal designes og sættes på.

Forskernes arbejde er beskrevet i studierne: Deep-learning-based segmentation of individual tooth and bone with periodontal ligament interface details for simulation purposesog Open-Full-Jaw: An open-access dataset and pipeline for finite element models of human jaw”.

Forskningen er en del af EU-forskningsprojektet Rainbow, som på tværs af syv europæiske universiteter forsker i computersimuleret medicin i samarbejde med myndigheder og industri.

Forskningen er udført i samarbejde med virksomheden 3Shape, som fremstiller intraorale scannere og leverer medicinsk software til digitale tandlægeformål.