Evaluation of the ciede2000(kl kc:kh)Color difference metrics and development of color prediction algorithms: application to dental materials

Resumen

Unos de los principales objetivos de la odontología es mantener y mejor la calidad de vida del paciente. Este objetivo se puede alcanzar de distintas maneras, como por ejemplo mediante la prevención de las enfermedades, aliviar el dolor, mejorar la eficiencia de la masticación, la mejora del habla y, por supuesto, la mejora de la apariencia de las estructuras dentales. Dado que muchos de estos objetivos requieren la modificación o incluso la sustitución de una estructura dental, uno de los principales retos durante mucho tiempo ha sido el desarrollo y selección de materiales dentales biocompatibles, de larga duración y que pueden soportar las condiciones del ambiente oral. Los cuatro grupos principales de materiales usados en la odontología actualmente son los metales, cerámicas, polímeros y materiales compuestos. Las resinas compuestas dentales son utilizadas hoy en día para reemplazar una estructura dental y para modificar el color y la forma del diente, por lo tanto mejorando la estética del mismo. Un compuesto de resina dental se compone de una matriz orgánica, un relleno inorgánico, un agente de acoplamiento, un sistema iniciador-acelerador y otros componentes en cantidades menores, tales como el inhibidor, los pigmentos o el agente fluorescente. Está bien establecido que hay tres factores que están implicados en la generación de una sensación de color: una fuente de luz (que produce la radiación incidente), el observador, y la muestra, que modula la radiación incidente en función de sus propiedades de transmitancia y reflectancia, que, a su vez, dependen de la geometría de iluminación/medida. El color de las muestras se representa normalmente dentro del espacio de color CIELab. Sin embargo, para muchas aplicaciones, aparte de la propia medición del color, también es importante cuantificar las diferencias de color entre las muestras. Específicamente, la fórmula de diferencia de color CIELAB es una de las más utilizadas en la industria y la investigación relacionada con el color. Sin embargo, con el fin de corregir la falta de uniformidad del espacio de color CIELab, varias otras fórmulas de diferencia de color, basadas en el espacio CIELab, han sido desarrolladas, tales como CMC, BFD, CIE94 y más recientemente la fórmula de diferencia de color CIEDE2000, que es la actual recomendación de la CIE para el cálculo de diferencias de color. La fórmula de diferencia de color CIEDE2000 es una fórmula basada en CIELab y se describe por una compleja ecuación. Se caracteriza por el uso de funciones de ponderación y factores paramétricos para corregir los efectos de la luminosidad, croma y tono y un término de rotación que corrige la interacción entre croma y tono en la región azul. En el cómputo de CIEDE2000, bajo condiciones de referencia, todos los factores paramétricos se establecen como iguales a 1. Al igual que cualquier otro material traslúcido, cuando la energía radiante interactúa con el diente se producen 5 procesos: la transmisión, reflexión especular y difusa, dispersión y absorción. Todos estos procesos determinan, en cierta medida, el color final del diente. Sin embargo, se ha reportado que el color del diente está determinado principalmente por la dispersión de la luz dentro de sus dos estructuras internas histológicamente diferentes: el esmalte (donde los responsables de la dispersión de la luz son los cristales de hidroxiapatita) y la dentina (donde los responsables de la dispersión de la luz son los túbulos de la dentina). Otros factores, tales como la translucidez, opacidad, brillo de la superficie, rugosidad de la superficie y la fluorescencia también contribuyen al color final del diente. Ten Bosch y Coops informaron de que el color del diente está determinado principalmente por el color de la dentina. Además, aunque el diente presenta un cambio de color longitudinal desde la zona cervical hacía la zona incisal, la zona media es la que mejor representa el color del diente. Esto es debido al hecho de que la zona incisal es translúcida y su color se ve afectado por el fondo y el grosor, mientras que el color de la zona cervical es modificado por la luz dispersada de la encía. Los experimentos de determinación de umbrales están diseñados para determinar ya sea un cambio apenas perceptible en un estímulo, en cuyo caso el umbral se denomina umbral de perceptibilidad, o para determinar la diferencia en el estímulo considerada como aceptable, en cuyo caso el umbral se denomina umbral de aceptabilidad. Los tres métodos más comunes que se utilizan para los experimentos de determinación de umbrales son el método de ajuste, el método de los límites y el método de los estímulos constantes. Este último es el más completo y preciso, es fácil de administrar y proporciona estimaciones de los umbrales imparciales y fiables. Sin embargo, se requiere un conocimiento previo del nivel de umbral, es de larga duración y requiere un observador paciente y atento. Una vez que el experimento visual se ha completado, se puede determinar la función psicométrica a través del ajuste de las respuestas de los observadores a la intensidad del estímulo o la variación del estímulo. Como métodos de ajuste, la función logística y la función probit son las más ampliamente utilizadas en la literatura dental. Las dos comparten las siguientes características: son sigmoidales (en forma de S), aumentan monótonamente de 0 a 1 y tienen parámetros que deben ser ajustados de acuerdo con los datos experimentales (alfa y beta, que son el origen y la pendiente en ambos casos). Ambas funciones presentan varias deficiencias, derivadas principalmente de la forma predefinida de la función, que no siempre modela con precisión los datos experimentales. Los estudios de los umbrales de perceptibilidad y aceptabilidad no son nuevos en el campo de la odontología. De hecho, existe una alta variabilidad de datos de umbrales cromáticos en la literatura. Sin embargo, en todos los estudios previos se ha utilizado exclusivamente la fórmula de diferencia de color CIELAB para el cálculo de la diferencia de color en la estimación del umbral en odontología. Actualmente, existen nuevos métodos y técnicas disponibles que podrían ser utilizados para las estimaciones del umbral cromático. Uno de estos métodos es la Lógica Difusa. La lógica difusa es una de las mejores propuestas que han surgido en los últimos años y es un candidato ideal para llevar a cabo esta tarea. Es capaz de manejar información imprecisa e incierta, ya que su funcionamiento interno intenta imitar el cerebro humano. Hasta ahora, sus principales aplicaciones son los sistemas de control y modelización de los fenómenos físicos. Como cualquier otro sistema de modelado, la lógica difusa es un proceso de 3 pasos. Algunos de los conceptos clave que definen la lógica difusa son el conjunto Fuzzy, la función de pertenencia de Gauss, las reglas difusas, las optimizaciones y la inferencia Fuzzy. En conformidad con lo anteriormente expuesto, planteamos como objetivo general de esta Tesis Doctoral evaluar la adecuación de la aplicación de la fórmula de diferencia de color CIEDE2000(KL:KC:KH) en el ámbito de la odontología y desarrollar algoritmos matemáticos capaces de predecir el color final de los materiales dentales. Para cumplir con ese objetivo general, hemos establecido los siguientes 5 objetivos específicos: 1. Determinar los umbrales de perceptibilidad y aceptabilidad (50:50%) para materiales dentales empleando la nueva fórmula de diferencia de color CIEDE2000 y métodos de ajustes basados en aproximaciones TSK Fuzzy. 2. Evaluar las diferencias en sensibilidad visual mediante el cálculo de los umbrales de aceptabilidad CIEDE2000(KL:KC:KH) (50:50%) para variaciones en luminosidad, croma y tono en el espacio cromático dental. 3. Evaluar la idoneidad del uso de la formula CIEDE2000(2:1:1) en odontología frente a la formulaCIEDE2000(1:1:1), mediante el cálculo de los umbrales de aceptabilidad (50:50%) y nuevas técnicas de evaluación: Aproximación TSK TaSe Fuzzy y los factores estadísticos de rendimiento PF/3 y STRESS. 4. Desarrollar modelos algorítmicos que permitan predecir el color y el espectro de reflectancia de resinas de composite experimentales a partir de las cantidades y tipos de pigmentos utilizados para su formulación. Evaluar estos modelos a partir de los valores de los umbrales de discriminación cromática. 5. Desarrollar modelos algorítmicos que permitan determinar la cantidad y tipo de pigmentos utilizados en la formulación de resinas de composite experimentales a partir de sus coordenadas cromáticas finales o de los valores de la reflectancia espectral. La aproximación TSK Fuzzy propuesta en esta tesis doctoral es un adecuado procedimiento de cálculo de los umbrales de color frente a los métodos tradicionales de ajuste. La fórmula de diferencia de color CIEDE2000 está mejor correlacionada con la percepción visual que la formula CIELAB, recomendando su uso en investigación en odontología así como para medida de color dental in vivo. Los valores 1.25 unidades CIEDE2000 y 2.23 unidades CIEDE2000 encontrados para los umbrales de perceptibilidad y aceptabilidad, respectivamente, pueden ser empleados como referencia en futuros trabajos de investigación, para el diseño de nuevos materiales dentales y para la evaluación clínica de restauraciones dentales. Existen diferencias significativas en sensibilidad visual para cambios en luminosidad, croma y tono (DeltaL'=2.92, DeltaC'=2.52, DeltaH'=1.90) para muestras del espacio cromático dental. Por ello, para un uso adecuado de la formula CIEDE2000 en la evaluación clínica visual e instrumental en odontología, es necesario revisar los factores paramétricos KL, KC y KH de esta fórmula. Los valores obtenidos para las diferencias CIEDE2000 en luminosidad (DeltaE=2.86), croma (DeltaE=1.34) y tono (DeltaE=1.65) indican que el uso del factor paramétrico KL=2 (CIEDE2000(2:1:1)) podría ser recomendable para la evaluación de diferencia de color de muestras pertenecientes al espacio cromático dental. Por otra parte, los umbrales de aceptabilidad direccionales estimados en esta Tesis Doctoral pueden ser de gran utilidad en futuros trabajos de investigación y aplicaciones industriales, tales como procesos de blanqueamiento dental, envejecimiento dental, diseño de nuevos materiales dentales, así como para un adecuado uso en clínica de éstos. La aproximación Fuzzy de las curvas de porcentaje de aceptabilidad desarrollada en esta tesis doctoral, utilizando un modelo TSK TaSe, permite calcular los valores de los umbrales de aceptabilidad en el espacio dental. La fórmula de diferencia de color CIEDE2000(2:1:1) presenta un mejor rendimiento frente a los juicios visuales en comparación con la formula CIEDE2000(1:1:1), tal y como muestran los valores de los factores estadísticos PF/3 y STRESS (PF/3: 190.33 frente a 196.43; STRESS: 0.83 frente a 0.85). Es decir, el factor paramétrico KL=2 en lugar de KL=1 en la fórmula de diferencia de color CIEDE2000(KL:KC:KH) debería ser empleado para una mejora en el cálculo de las diferencias de color en el ámbito odontológico. No obstante, el alto valor del factor estadístico PF/3 para esta fórmula nos indica la necesidad de seguir avanzando en el estudio de la adecuación de fórmulas de diferencia de color que se correlacionen con la apreciación visual del clínico dental. Los modelos predictivos de regresión múltiple nolineal desarrollados en esta tesis doctoral sobre un grupo de 49 muestras de resinas de composite experimentales diseñadas en nuestro laboratorio, permiten predecir, con un alto grado de precisión, tanto el color final - en términos de las coordenadas CIE L*a*b* (R2 >0.950 en todos los casos) - como el espectro de reflectancia de las resinas de composite experimentales (error medio <3.54% a lo largo de todas las longitudes de onda del espectro visible). En general, las diferencias encontradas entre los valores de las coordenadas de cromaticidad predichas y las medidas son menores que el umbral de aceptabilidad establecido para este tipo de materiales e incluso, para algunos de los modelos, menores que el umbral de perceptibilidad. Estos resultados abren el camino para el diseño personalizado de resinas de composite dentales, con múltiples aplicaciones clínicas directas e inmediatas, como la fabricación de guías dentales, desarrollo de nuevos materiales y, por último, la realización de restauraciones dentales que igualan perfectamente en color a las estructuras dentales que las rodean. No obstante, antes de llevar estos materiales a la clínica hay que complementar este trabajo con estudios sobre otras propiedades físico-químicas del material, como pueden ser la contracción de polimerización, dureza, resistencia al desgaste, grado de polimerización, estabilidad cromática temporal y térmica, etc. Dentro del marco de este estudio piloto, los modelos predictivos que se han propuesto en esta tesis doctoral permiten determinar la cantidad y tipo de pigmentos utilizados en la formulación química de las resinas de composite experimentales a partir de los valores de las coordenadas cromáticas CIE L*a*b*(R2>0.409) y el espectro de reflectancia de las muestras en el rango visible (R2>0.133). Sin embargo, debido a los bajos valores de los índices de calidad de los ajustes, trabajos futuros en esta línea de investigación tienen que implementar el uso de otros algoritmos predictivos, tales como análisis de componentes principales o los recién incorporados modelos de lógica difusa (Fuzzy Logic) que, por no incorporar una reducción dimensional, pueden proporcionar más flexibilidad y robustez a los modelos predictivos. Sin embargo, los trabajos en el campo de la odontología estética han cobrado gran importancia, ya que ser capaz de emular con precisión, desde un punto de vista colorimétrico, la estructura dental que se va a reemplazar proporcionará al clínico dental la capacidad de realizar restauraciones de alta calidad estética que conducirán a la plena satisfacción del paciente.