Endodontic instruments metrology by scanning electron microscopy and digital image analysis: a methodological proposal

A padronização para a fabricação de instrumentos endodônticos em aço inoxidável contribuiu para o desenvolvimento de novos aspectos geométricos. Surgiram propostas de alterações no desenho da haste helicoidal, da seção reta transversal, da ponta, da conicidade e do diâmetro na extremidade (D0). Concomitantemente, o emprego de ligas em Níquel-Titânio possibilitou a produção de instrumentos acionados a motor, largamente empregados hoje. A cada ano a indústria lança instrumentos com diversas modificações, sem, contudo, disponibilizar informações suficientes quanto às implicações clínicas destas modificações. Existe um crescente interesse no estudo dos diferentes aspectos geométricos e sua precisa metrologia. Tradicionalmente, a aferição de aspectos geométricos de instrumentos endodônticos é realizada visualmente através de microscopia ótica. Entretanto, esse procedimento visual é lento e subjetivo. Este trabalho propõe um novo método para a metrologia de instrumentos endodônticos baseado no microscópio eletrônico de varredura e na análise digital das imagens. A profundidade de campo do MEV permite obter a imagem de todo o relevo do instrumento endodôntico a uma distância de trabalho constante. Além disso, as imagens obtidas pelo detector de elétrons retro-espalhados possuem menos artefatos e sombras, tornando a obtenção e análise das imagens mais fáceis. Adicionalmente a análise das imagens permite formas de mensuração mais eficientes, com maior velocidade e qualidade. Um porta-amostras específico foi adaptado para obtenção das imagens dos instrumentos endodônticos. Ele é composto de um conector elétrico múltiplo com terminais parafusados de 12 pólos com 4 mm de diâmetro, numa base de alumínio coberta por discos de ouro. Os nichos do conector (terminais fêmeas) têm diâmetro apropriado (2,5 mm) para o encaixe dos instrumentos endodônticos. Outrossim, o posicionamento ordenado dos referidos instrumentos no conector elétrico permite a aquisição automatizada das imagens no MEV. Os alvos de ouro produzem, nas imagens de elétrons retro-espalhados, melhor contraste de número atômico entre o fundo em ouro e os instrumentos. No porta-amostras desenvolvido, os discos que compõem o fundo em ouro são na verdade, alvos do aparelho metalizador, comumente encontrados em laboratórios de MEV. Para cada instrumento, imagens de quatro a seis campos adjacentes de 100X de aumento são automaticamente obtidas para cobrir todo o comprimento do instrumento com a magnificação e resolução requeridas (3,12 m/pixel). As imagens obtidas são processadas e analisadas pelos programas Axiovision e KS400. Primeiro elas são dispostas num campo único estendido de cada instrumento por um procedimento de alinhamento semi-automático baseado na inter-relação com o Axiovision. Então a imagem de cada instrumento passa por uma rotina automatizada de análise de imagens no KS400. A rotina segue uma sequência padrão: pré-processamento, segmentação, pós-processamento e mensuração dos aspectos geométricos.The standardization of stainless steel endodontic instruments has contributed to the development of new geometric features. Many design changes in tip shape, cross section, tapering and diameters have come out. At the same time, the use of Ni-Ti alloys enabled the production of rotary instruments, which are widely employed nowadays. In fact, the industry continuously releases novel instruments with different designs. Nevertheless, not enough information is provided about these modifications and their clinical impacts. Thus, there is a growing interest in the study of these different geometric features and their accurate metrology. Traditionally, the measurement of geometric aspects in endodontic instruments is made visually under an optical microscope. However, this visual procedure is subjective and slow. This work proposes a new method for the metrology of endodontic instruments based on scanning electron microscope (SEM) and digital image analysis. The superior depth of field of the SEM allows the whole relief of an endodontic instrument to be imaged at a constant working distance. Moreover, the images from the back-scattered electrons (BSE) detector have less artifacts and shadows, making the image analysis task easier. In addition, image analysis provides efficient ways of measuring with greater speed and statistical quality. A specific sample holder was adapted for the task of imaging endodontic files. It is composed of a multiple electrical connector, a 12 pole screw terminal strip (4 mm), on an aluminum base covered by gold plates. The holes (female terminals) in the electrical connector have an appropriate diameter (2.5 mm) to fix the endodontic instruments. Besides, the ordered placement of endodontic instruments on the electrical connector allows automating image acquisition in the SEM. The gold plates produce, in BSE images, greater atomic number contrast between the gold background and the instruments. In the built sample holder, the gold plates are in fact gold targets of a sputter coater, because it is a material commonly present in SEM labs. For each file, 4 to 6 adjacent fields at 100X are automatically imaged, to cover its entire length with the required magnification and resolution (3.12 m/pixel). These acquired images are processed and analyzed by AxioVision and KS400 softwares. First, they are assembled in a single extended field image of each instrument by a semi-automated alignment procedure based on cross-correlation in AxioVision. Then, the image of each entire instrument passes through a fully automated image analysis routine in KS400. This routine follows the image analysis standard sequence: pre-processing, segmentation, post-processing and measurement of geometric aspects. The obtained results are consistent with manual measurements but the proposed method is faster. Since assembling 4 to 6 BSE images in an extended field image is the only step that is not fully automated, the proposed method depends much less on the subjectivity of the human operator