人体锥形束计算机断层扫描三维头影地标标注演示

摘要

这里介绍的是使用人锥形束计算机断层扫描进行三维头影分析的详细协议。

摘要

颅面头影测量分析是一种诊断工具，用于评估头部和面部各种骨骼和软组织的关系。传统上，头影测量分析使用二维X光片和标志集进行，仅限于尺寸，线性和角度测量以及2D关系。3D锥形束计算机断层扫描（CBCT）扫描在牙科领域的使用越来越多，这就决定了需要向3D头影测量分析演变，其中结合了形状和对所有三个平面纵向发展的更现实的分析。这项研究是3D头影测量分析的演示，在人类CBCT扫描中使用一组经过验证的骨骼组织标志。3D 体积上每个地标注释的详细说明作为分步协议的一部分提供。生成的测量值和地标的3D坐标可以导出并用于临床和研究目的。在基础和临床颅面研究中引入3D头影测量分析将导致颅面生长和发展领域的未来进展。

引言

头影测量分析检查人类头骨的牙齿和骨骼关系，是头颅测量的临床应用。除了研究人类进化和颅面发育的人类学家、发育生物学家、法医专家和颅面研究人员外，口腔健康专业人员（包括牙医、正畸医生和口腔颌面外科医生）还将其用作治疗计划工具。最早在正畸学中使用头影测量分析的机构是1931年德国的Hofrath和美国的Broadbent ^1,2,3。分析的主要目的是提供理论和实践资源，以评估个体的颅面比例并确定错牙合的解剖学来源¹。这样可以跟踪上颌骨和下颌骨的生长模式，监测它们在空间中的关系位置，并观察软组织和牙齿位移的变化。因此，可以监测正畸治疗带来的变化，并且可以表征骨骼和牙齿的关系，以便为治疗计划做出诊断。牙颌面复合体的评估是通过将患者的头影示踪与代表年龄、种族和民族相似正常人群的参考值进行比较来完成的¹。

传统的分析方法包括对三维（3D^）结构的二维（2D）描述^4,5。该技术的一个主要挫折是通过普通胶片或数字格式上的常规X射线成像对解剖结构进行失真和放大，这可能导致不准确的头影追踪和解释^6,7。最初以轴向计算机断层扫描（CT）和螺旋CT形式引入的3D成像不包括牙科或非医疗应用，因为成本高，辐射剂量高。然而，锥形束计算机断层扫描（CBCT）扫描的出现减轻了这些担忧，因为费用和辐射剂量明显低于CT¹。这种影像学叙述的转变激发了CBCT在正畸学中的广泛使用，以改善诊断和治疗计划。与传统的2D图像技术相比，3D成像的主要优点是3D允许检查者查看解剖结构，而不会叠加和空间失真（即个人的头部位置）。因此，可以更准确地定位用于进行头影测量分析的解剖标志，尤其是在面部不对称的情况下。此外，可以分析更大的解剖区域。

头颅测量领域的最新进展之一是实现深度学习（DL）用于自动地标检测8,9,10,11。尽管这些研究的结果很有希望，但地标放置的准确性水平尚不令人满意。此外，这些研究大多使用相对较小的地标集，这些标志集来自以前的二维头影测量分析，对颅底的覆盖不足，而颅底是研究颅面生长发育的重要结构。该演示视频详细介绍了一种进行手动、高精度 3D 头影测量分析的方法，该方法使用一组经过验证的 3D 骨骼组织标志，涵盖面部、颅底、下颌骨和牙齿区域，用于涉及 CBCT 成像的临床和研究⁴。图 1 显示了已完成的 3D 分析示例。

研究方案

该协议遵循美国国立卫生研究院机构审查委员会（NIDCR IRB #16-D-0040）和罗斯曼健康科学大学的人类研究伦理委员会的指导方针。有关此协议中使用的软件的详细信息，请参阅 材料表 。使用不同的软件可以遵循相同的协议，并根据其特定设置和技术细节进行调整。用于创建本文中包含的图形的CBCT扫描以及视频演示在使用之前已匿名化，并且已获得受试者的知情同意，允许在研究相关出版物中使用他们的扫描。两名受试者都在NIH牙科诊所就诊，在那里获得了扫描（普兰梅卡ProMax 3D系统;低剂量模式，400μm分辨率），并已同意NIH IRB批准的协议（NCT02639312）。

1. 在 3D 分析模块中上传 CBCT 扫描和查看

1. 打开引用的软件，然后单击 浏览文件。选择要分析的扫描，然后单击 打开。
2. 转到 3DAnalysis 模块。

2. 上传地标配置文件

1. 在 3DAnalysis 模块中，单击 保存信息 软盘图标。然后，选择 “加载配置 ”并浏览配置文件。
   注意：包含作者使用的地标的配置文件作为 补充文件 1 包含在内。

3. 坐标系设置

1. 单击 重新定向 图标。
2. 在打开的窗口中，选择通过选取地标选项。这允许用户以相同的方式定向所有扫描，如果要比较它们的3D坐标值，这一点很重要。为此协议选择的选项是：N 作为 Origin 地标，具有地标或 R 的三点定义，或 L、Po L 和定义具有地标 N 和 Ba 的 A-P 轴（矢状面中部）。

4. CBCT扫描图像调整

1. 调整 亮度 和 对比度 以减少屏幕左侧菜单中的图像噪点。
2. 通过按住 Ctrl 键并同时左键单击并在屏幕上滑动来放大和缩小。通过按住 Shift 键并同时左键单击并在屏幕上滑动，以身体方式移动图像。从设置菜单中启用“剪切”以在所有空间平面中创建剖面视图。

5. 增加新的地标

1. 从具有工具图标的 “设置 ”菜单中，单击地标以显示可用地标选项的列表，然后选择所需的 地标。
2. 要设置地标的默认视图，请选择追踪任务，单击设置，选择地标，根据需要设置视图，然后单击使用当前视图设置。重复上述步骤以更改任何其他地标的默认视图。

6. 三维解剖标志的注释

1. 从屏幕左侧菜单顶部，选择“ 创建跟踪”。在打开的窗口中，单击窗口左下角的 “开始 ”。通过直接在 3D 体积上根据其定义放置地标的位置单击鼠标左键来开始注释 3D 地标。
2. 使用屏幕右侧的剖面视图确认并调整地标的位置。如果看不到它们，请从左侧的布局选择菜单中选择 切片定位器。要确认地标的位置，请单击 “停止 ”并选择所需的视图以可视化地标。确认后，继续放置剩余的地标。
3. 要使用 3D 体积更改地标的位置，请单击“追踪任务”菜单底部的“停止”停止分析，单击要移动的地标点，然后将其拖动到新的所需位置。
4. 要重新注释地标，请双击地标旁边的打勾方块，然后对后续问题回答“ 是 ”。

7. 每个三维地标的定义和具体注释说明

1. 堡垒（Ba）-大孔前曲前缘的中点
   1. 对于 轴向截面，寻找大孔截面曲率的最深端。对于 矢状截面，寻找大孔中段的最后点。对于 冠状截面，寻找大孔曲率的下中点。
2. Porion（Po_R，Po_L）-位于每个耳道上缘（外耳道）上缘的最上点，后部和外部点
   1. 对于 轴向部分，寻找外耳道边缘的边缘。对于 矢状 截面，寻找咽鼓管与骨管的交点。对于 冠状截面，寻找上曲率下边界的中点。穿过该点的垂直线大致将耳道一分为二。
3. Nasion （N）-额骨和鼻骨之间的缝合线的交点（额鼻缝合线）
   1. 对于 轴向截面，寻找缝合线曲率的中点/高度。对于 矢状面，寻找额骨和鼻骨相交的缝合线的前点。对于 冠状部分，寻找额鼻缝合线的中心。穿过它的垂直线大致将鼻子一分为二。
4. Orbitale（Or_R，Or_L）-下眶缘最前下点
   1. 将正面视图（骨窗）设置为默认值，并按轴向从下到上剪裁，直到达到眼眶下缘的曲率，以定位眼眶下曲率的最下点。
   2. 使用 2D 视图确认地标是否位于骨骼上。调整矢状面和冠状面以反映眼眶的前方位置。确保标志物位于前方，刚好到眶缘开始弯曲的点。
5. 眶上（SOr_R，SOr_L）-眶上缘的最上点和前点
   1. 在 3D 体积中将正面视图设置为默认值，并逐渐从上到下轴裁剪，直到达到轨道上缘的曲率以定位轨道上边界的最上点。
      注意：由于其解剖结构可变，避免标记眶上切口。
   2. 调整矢状面和冠状面以反映地标的前方位置。确保标志物位于前方，刚好到眶缘开始弯曲的点。
6. 蝶鞍中点（蝶鞍）
   1. 寻找蝶鞍或垂体窝的中心，蝶骨体中的马鞍形凹陷，垂体或垂体位于该凹陷处。在所有平面中将地标调整到蝶鞍的中心。
   2. 对于 矢状截面，将地标放在蝶鞍的中心。对于 轴截面 和 冠截面，请相应地调整视图。
7. 下蝶鞍（Si）-蝶鞍轮廓上与蝶鞍在同一平面上的最下部和中心点
   1. 对于矢状截面，首先将标志定位在蝶鞍矢状面断面的最下点。对于轴向和冠状截面，将位置调整为截面的中间。
8. 蝶鞍后（Sp）-蝶鞍轮廓上的最后点和中心点，与蝶鞍在同一平面上
   1. 对于矢状截面，首先将标志定位在蝶鞍矢状面的最后点。对于轴向和冠状截面，将位置调整为截面的中间。
9. 斜突（Cl）-与蝶鞍在同一平面的前斜突轮廓上的前上点
   1. 对于矢状截面，首先将标志定位在斜突轮廓的最前上点。对于轴向和冠状截面，将位置调整为截面的中间。
10. 颧弓（ZygArch_R，ZygArch_L）
    1. 寻找颧弓轮廓上最侧下点。确保颅骨定向正确，从颏下视图清晰且“垂直”地看到颧弓。
       注意：如果头骨倾斜，准确的地标注释将受到影响。
    2. 对于 轴向截面，将标志放置在颧弓曲率的最外侧和下点。对于 矢状截面，将地标放置在断面的最下点。对于 冠状截面，将地标放置在截面的最侧点。
11. 额肌缝合线（FronZyg_R，FronZyg_L）-额肌缝合线上的前外侧点。
    1. 对于矢状切片，请确保缝合线在切片中清晰可见。将标志物放置在缝合线旁边的额骨部分的最前点。对于轴向和冠状截面，请寻找截面的最优越点。
12. 鼻腔（NasCav_R，NasCav_L）-鼻侧壁，梨状边缘/鼻底和上颌骨上边界的交界处
    1. 三重结最好在 日冕部分查看。首先将地标定位在交汇点的内侧。对于轴向剖面，将地标定位在 剖面的端点处。对于 矢状切片，将标志物放置在上颌骨边缘缝合线的最外侧点。
13. 朱加尔角（J_R、J_L）
    1. 寻找上颌骨颈突的最深中点。注释地标，使其大部分与上颌第一磨牙对齐。
    2. 对于 冠状截面，首先将地标位置调整到颈突截面曲率的最深端。对于轴向切片，寻找切片的最侧 向点，即骨密度变化的点。对于 矢状面部分，在骨密度变化的点处寻找该部分的最下点。
14. 关节（Ar_R，Ar_L）-髁突头的最后点，靠近关节盂窝
    1. 对于 轴向截面，寻找髁突后曲率中心周围的最后点。对于 矢状截面，寻找髁突后曲率的最后点。对于 冠状部分，寻找不透射线的小区域，表明该标志在骨骼上。
15. 冠状突（Cor_R，Cor_L）-冠状突最优越的点
    1. 对于矢状面和冠状面，将标志放在冠状突的顶部。对于轴向截面，寻找不透射线的小区域，表明该标志位于骨骼上。
16. 关节盂窝（G_Fos_R，G_Fos_L）
    1. 在关节盂窝上寻找髁突头与窝最大关节的点。这是圆顶形窝的大致中心。
    2. 在 3D 模式下，选择 冠状截面 以获得一个视图，该视图可以很好地显示两个髁突。在此视图中，在窝的下边界上选择一个点，使穿过该点的垂直线大致平分髁突;请注意，这可能看起来不是窝的确切中心。定位最大关节点（即，在某些情况下，大致靠近中心或确切的中心）。
    3. 对于 冠状部分，寻找最接近关节盂窝圆顶部分的点。对于 矢状面，寻找关节盂窝圆顶部分的最优越点。对于 轴向截面，如果其他两个视图已调整，则不要应用任何特定的微调。
17. 下颌骨轮廓（右侧和左侧）：髁突（Co_R，Co_L），前髁（Go_R，Go_L），前颌骨（Ag_R，Ag_L）
    注意：在追踪下颌轮廓后，地标会自动注释。
    1. 确定髁 突是髁 突最后方和上点。将 洋葱 确定为由下颌骨支和下颌骨主体交界处形成的角度上的最外向点。将 前缘 确定为下颌骨下缘凹陷的最高点，在那里它与下颌骨的主体相连。
    2. 使用一系列点跟踪下颌轮廓（双击或右键单击以完成描摹）。从下颌切口开始，包括髁突和支轮廓。沿着角度的曲线，每隔几毫米使用多个点来包括洋葱。一定要选择下颌缘下缘或侧缘上的点。
18. 普罗西翁（公关）
    1. 在中线寻找上颌牙槽突的最前点。选择将上颌中央门牙一分为二的矢状截面。在 侧视图中，选择 Prosthion 并确认2D视图。
    2. 对于 轴向切片，确定唇牙槽骨上颌中央门牙根部的中间部分。对于 矢状面，寻找上颌牙槽突的最前点。对于 冠状部分，寻找上颌中央门牙之间的中线。
19. A点 - 前上颌骨上鼻前脊柱和假体点之间曲率的最深中线点
    1. 在 3D 中，选择将上颌中央门牙一分为二的矢状截面。这架飞机将有假肢（已经标记）。在 横向视图中，选择 A 点 并确认 2D 视图。
    2. 对于 轴向截面，标识截面的尖端。对于 矢状截面，确定前鼻棘和牙槽突之间的前上颌骨曲率的最深点。对于 冠状部分，请确保该点位于中线。
20. 鼻前脊柱
    1. 寻找鼻椎的最前点。选择将上颌中央门牙一分为二的矢状截面。这架飞机将有假肢和A点（已经标记）。在 横向视图中，选择 ANS 并确认 2D 视图。
    2. 对于 轴向截面，请查找截面的尖端。对于 矢状部分，寻找鼻椎的最前点。对于 冠状部分，寻找小骨部分的中间。
21. 鼻后脊柱（PNS）-硬腭后缘腭骨基部的中点
    1. 在 3D 中，选择将上颌中央门牙一分为二的矢状截面。这架飞机将已经标记了假肢、A 点和 ANS。在 横向视图中，选择 PNS 并确认 2D 视图。
    2. 对于 轴向部分，寻找腭基底中线的最下点。对于 矢状面，寻找腭骨中段的最后点。对于 冠状部分，寻找腭骨中段部分的中点。
22. Infradentale （id）
    1. 确定从最突出的下颌内侧门牙的牙冠/牙齿到牙槽突起的过渡点。
    2. 在 3D 中，选择将下颌中央门牙一分为二的矢状截面。在 横向视图中，选择 Id 并确认 2D 视图。如果存在三个门牙，请确保平面将中牙一分为二。
    3. 对于 轴向切片，确认标志注释点是所选门牙牙槽骨的最前点。对于 矢状面，确定下颌牙槽突的最前点。对于 冠状部分，确保中线将选定的门牙一分为二。
23. B点（B） - 下颌骨上最深的中线点，介于下颌骨和下颌骨之间
    1. 在 3D 中，选择将下颌中央门牙一分为二的矢状截面。在 横向视图中，选择 B 点 并确认 2D 视图。
    2. 对于 中轴切面，在下颌中央门牙之间查看，如果缺少门牙，则在中门牙部分的中间查看。对于 矢状截面，确定下颌联合前方最深凹陷的点。对于 冠状部分，在下颌中央门牙或与中门牙相交的垂直网格线之间寻找。
24. Pogonion （Pog）
    1. 确定下颌骨联合的最前点。
    2. 在 3D 中，选择将下颌中央门牙一分为二的矢状截面。在 横向视图中，选择 Pogonion 并确认 2D 视图。
    3. 对于 轴向 截面，确定与下颌截面相交的垂直网格线。对于 矢状面，寻找联合的最前点。对于 冠状部分，寻找小的骨区，表明该标志放置在骨表面上。
25. 解剖学颌骨 （Gn） - 矢状面中部下颌前缘的最低点
    1. 在 3D 中，选择将下颌中央门牙一分为二的矢状截面。在 横向视图中，选择 Gn 并确认 2D 视图。
    2. 对于 轴向 和 冠状截面，寻找与下颌部分相交的垂直网格线。对于 矢状切片，确定下颌前缘的最低点。
26. 芒通（Me） - 下颌联合的最低点。
    1. 在 3D 中，选择将下颌中央门牙一分为二的矢状截面。在 横向视图中，选择 “我 ”并确认 2D 视图。
    2. 对于 中轴切片，确定小的骨区域，表明标志物放置在骨表面上。对于 矢状面，确定联合切片的最低点。对于 冠状部分，寻找联合部分的最低中点。
27. 上/下右/左门牙轮廓
    注意：需要三点：上/下门牙的根部; 轴向：顶点部分的中点; 矢状，冠状：顶端的尖端。
    1. 在上/下门牙的冠部：在 轴向 和 冠状部分，寻找切口边缘的中点;在 矢状面部分，识别切口边缘的尖端。
    2. 在上/下门牙的唇点：在 轴向部分，确定牙齿部分的中点;在 矢状面部分，寻找阴唇表面最突出的点;在 冠状部分，确保该点位于将牙齿平分的垂直线上。
28. 上/下右/左摩尔轮廓
    注意：以下三点是必需的。
    1. 上/下磨牙根部：在 轴向部分，寻找内侧根尖部分的中点;在 矢 状和 冠状部分，确定内侧根顶点的尖端。
    2. 上/下磨牙前尖：在 轴向部分，识别上颌/下颌第一磨牙的内颊尖;在 矢 状面和 冠状面，寻找上颌/下颌第一磨牙的内颊尖。
    3. 上磨牙后尖：在 轴向切片中，寻找上颌/下颌第一磨牙的远端颊尖;在 矢状 和 冠状部分，识别上颌/下颌第一磨牙的远端颊尖。
29. 筛状板 （Cr） - 克里斯塔盖利上的中间上点
    1. 在 矢状部分，选择克里斯塔加利的最下点。在 轴向部分，寻找克里斯塔加利小部分的最下点。在 冠状部分，选择克里斯塔加利的最优越点。
30. 卵圆孔（ForOval_R，ForOval_L） - 卵圆孔最前内侧和上点
    1. 在 轴向截面中，确保该点大约位于在前内侧方向平分孔的平面上。在 矢 状和 冠状部分，查看运河入口的底部。
31. Opisthion （Opi） - 轴向截面大孔后曲率后缘的中点
    1. 在矢 状截面中，寻找大孔矢状截面的最下点。在 轴向 和 冠状截面中，将地标定位在中线。
32. 颅前窝（AntCF_R，AntCF_L） - 分隔颅前窝和中颅窝边界的最前上点
    1. 在 3D 中，使用轴向切片，从前部到后部，直到达到窝的曲率。如果存在多个边框，请选择最前面的边框。
    2. 在 轴向切片中，确定颅前窝切片的最前点。在 矢状面部分，寻找颅前窝边界的最上点。在 冠状部分，确定颅前窝部分的最下点。
33. 内声道（AcM_R，AcM_L） - 颞骨岩部内声道的最后侧点
    1. 在 轴向截面中，查找反映曲率结束的运河起点的点。在 矢状截面中，寻找曲率的后点。在 冠状截面中，确定曲率上的最深点。
34. 舌下管（Hypog_R，Hypog_L）
    注意：这是运河的最前内侧点。如果有两条运河，请选择两条运河的后部，并在后管的前缘标记该点。
    1. 在 轴向截面中，确定反映曲率结束的运河起点的点。在 矢状截面，寻找曲率的最深端。在 冠状部分，确保该点大致位于前后内侧方向平分运河的轴上。

8. 保存带有注释地标的CBCT扫描

1. 从“文件”菜单中，选择“保存”或“另存为”以另存为单独的文件，然后选择首选文件类型。

9. 导出测量值和/或地标 3D 坐标

1. 单击工具栏中的 保存信息/软盘图标 ，然后选择导出 测量 值或 导出地标。以.csv文件格式导出结果。

讨论

医学和牙科已经进入3D成像时代。在颅面和牙科成像学科中，CBCT扫描的使用越来越多，因为与传统CT机器相比，更新系统的辐射低，成本更低，人员使用校准简单，采集相对快速简便，患者合作最少，以及能够从一次扫描中生成多个其他诊断图像和分析。因此，临床医生和研究人员必须知道如何阅读、诊断和分析这些 3D 图像，以及如何在 3D 中研究颅面生长和发育。

为了帮助该领域的临床医生和研究人员，我们提供了一个分步协议和视频演示，用于使用人类CBCT扫描进行3D头影测量分析。这些地标之前已在之前的出版物中定义和验证，其准确性和可重复性已得到确认⁴.每个地标的详细细化说明也有助于用户正确注释每个地标。通过使用与每个地标应定位的区域相对应的扫描预设视图，进一步简化了地标注释过程。此功能为用户节省了大量时间和精力。然而，这涉及到一个学习曲线，用户需要练习才能获得准确的地标注释。

本协议中使用的经过验证的 3D 地标配置提供了面部、上颌骨、下颌骨和颅底骨骼组织的充分覆盖。通过这种方式，可以更准确地表示颅面结构的真实形态，以评估颅面复合体及其组成结构的尺寸、配置和方向。软组织标志不包括在此协议中，但用户可以将所选的标志添加到提供的配置中，如协议中所述。此外，出于实际原因，该协议不能包括其他3D分析软件的特定说明，但可以由每个用户相应地进行调整。

除了生成的标准头影测量的诊断价值（主要针对临床医生）之外，使用这种分析来计算任何3D地标之间的角度和线性距离所提供的自由将允许建立新的头影测量分析，以提供更详细和完整的评估。然而，我们未来的方向包括建立新的规范值，就像过去创建二维规范值一样。

此外，基于地标的GMA在颅面临床和研究领域的应用正在快速发展。进化和发育生物学以及人类学的研究人员已经使用这种分析十多年了，但最近在正畸学、牙面骨科和颅面外科领域也提出了新的临床应用。GMA还可以用作具有颅面表现的先天性疾病的定量表型的一部分，以及用于检测归因于基因突变的细微形态差异13,14,15,16。此外，通过将形态测量数据与功能分析以及遗传数据联系起来，整合不同的定量方法，可以为健康和疾病群体的颅面发育提供新知识。

由于计算和可视化的最新进展，这种类型的分析现在可以在个人计算机上进行，已经有几个软件包可用，包括Checkpoint，Geomorph（R统计软件包），Amira-Avizo和SlicerMorph。这些程序可以帮助可能不熟悉多变量统计分析的医学领域的研究人员使用内置的自动化功能进行GMA。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Invivo6 Dental Software	Anatomage	N/A	3D Imaging Software (including 3D analysis module)