Diese Forschung wurde durch das Intramurale Forschungsprogramm des National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) der National Institutes of Health (NIH) und das Advanced Education in Orthodontics and Dentofacial Orthopedics-Programm des Roseman University College of Dental Medicine unterstützt.

3D-Demonstration der kephalometrischen Landmark-Annotation auf menschlichen DVT-Scans

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	<li>Proffit, W. R., Fields, H. W., Larson, B., Sarver, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contemporary+Orthodontics+-+E-Book.">Contemporary Orthodontics - E-Book.</a> Elsevier Health Sciences. , (2018).</li><li>Broadbent, B. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+x-ray+technique+and+its+application+to+orthodontia.">A new x-ray technique and its application to orthodontia.</a> The Angle Orthodontist. 1 (2), 45-66 (1931).</li><li>Hans, M. G., Palomo, J. 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K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Craniofacial+analysis+may+indicate+co-occurrence+of+skeletal+malocclusions+and+associated+risks+in+development+of+cleft+lip+and+palate.">Craniofacial analysis may indicate co-occurrence of skeletal malocclusions and associated risks in development of cleft lip and palate.</a> Journal of Developmental Biology. 8 (1), 2 (2020).</li><li>Whitman, M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TUBB3+Arg262His+causes+a+recognizable+syndrome+including+CFEOM3,+facial+palsy,+joint+contractures,+and+early-onset+peripheral+neuropathy.">TUBB3 Arg262His causes a recognizable syndrome including CFEOM3, facial palsy, joint contractures, and early-onset peripheral neuropathy.</a> Human Genetics. 140 (12), 1709-1731 (2021).</li><li>Kidwai, F. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+craniofacial+analysis+and+generation+of+human+induced+pluripotent+stem+cells+for+Muenke+syndrome:+A+case+report.">Quantitative craniofacial analysis and generation of human induced pluripotent stem cells for Muenke syndrome: A case report.</a> Journal of Developmental Biology. 9 (4), 39 (2021).</li></ol>

Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.

Medizin und Zahnmedizin sind bereits in das Zeitalter der 3D-Bildgebung eingetreten. In den Bereichen der kraniofazialen und zahnärztlichen Bildgebung werden zunehmend DVT-Scans eingesetzt, da die aktualisierten Systeme im Vergleich zu herkömmlichen CT-Geräten strahlungsarm und kostengünstig sind, die Kalibrierung des Personaleinsatzes einfach ist, die Aufnahme relativ schnell und einfach mit minimaler Patientenkooperation erfolgt sowie die Möglichkeit, mehrere andere diagnostische Bilder und Analysen aus einem einzigen Scan zu generieren. Daher ist es für Kliniker und Forscher wichtig zu wissen, wie man diese 3D-Bilder liest, diagnostiziert und analysiert und wie man kraniofaziales Wachstum und Entwicklung in 3D untersucht.
Um Kliniker und Forscher auf diesem Gebiet zu unterstützen, präsentieren wir ein Schritt-für-Schritt-Protokoll und eine Videodemonstration für die Durchführung von 3D-Fernröntgenanalysen unter Verwendung von humanen DVT-Scans. Diese Orientierungspunkte wurden bereits in einer früheren Veröffentlichung definiert und validiert, wobei ihre Genauigkeit und Wiederholbarkeit bestätigt wurde4. Die detaillierten Verfeinerungsanweisungen für jedes Wahrzeichen helfen den Benutzern auch bei der korrekten Beschriftung der einzelnen Sehenswürdigkeiten. Der Prozess der Beschriftung von Sehenswürdigkeiten wird durch die Verwendung voreingestellter Ansichten des Scans weiter vereinfacht, die dem Bereich entsprechen, in dem jede Sehenswürdigkeit positioniert werden soll. Diese Funktion spart dem Benutzer viel Zeit und Mühe. Nichtsdestotrotz ist eine Lernkurve erforderlich, und die Benutzer müssen üben, um eine genaue Orientierungspunktanmerkung zu erreichen.
Die in diesem Protokoll verwendete validierte 3D-Landmark-Konfiguration bietet eine ausreichende Abdeckung des Skelettgewebes des Gesichts, des Oberkiefers, des Unterkiefers und der Schädelbasis. Auf diese Weise wird die wahre Morphologie der kraniofazialen Strukturen genauer dargestellt, um die Dimensionen, Konfiguration und Orientierung des kraniofazialen Komplexes und seiner Komponentenstrukturen besser beurteilen zu können. Weichteil-Orientierungspunkte sind in diesem Protokoll nicht enthalten, aber Benutzer können der bereitgestellten Konfiguration Orientierungspunkte ihrer Wahl hinzufügen, wie im Protokoll beschrieben. Darüber hinaus könnte dieses Protokoll aus praktischen Gründen keine spezifischen Anweisungen für andere 3D-Analysesoftware enthalten, kann aber von jedem Benutzer entsprechend angepasst werden.
Abgesehen von der diagnostischen Aussagekraft der generierten Standard-Fernröntgenmessungen, vor allem für Kliniker, wird die Freiheit, die die Verwendung dieser Analyse zur Berechnung von Winkeln und linearen Abständen zwischen beliebigen 3D-Orientierungspunkten bietet, die Erstellung neuer kephalometrischer Analysen ermöglichen, die detailliertere und vollständigere Beurteilungen ermöglichen. Nichtsdestotrotz beinhaltet unsere zukünftige Ausrichtung die Etablierung neuer entsprechender normativer Werte, so wie in der Vergangenheit normative 2D-Werte geschaffen wurden.
Darüber hinaus entwickeln sich die Anwendungen der denkmalgeschützten GMA im kraniofazialen klinischen und Forschungsbereich in rasantem Tempo. Forscher der Evolutions- und Entwicklungsbiologie und der Anthropologie verwenden diese Analyse seit mehr als einem Jahrzehnt, aber auch in den Bereichen Kieferorthopädie, dentofaziale Orthopädie und kraniofaziale Chirurgie wurden in jüngster Zeit neue klinische Anwendungen vorgestellt. GMA kann auch als Teil einer quantitativen Phänotypisierung bei angeborenen Erkrankungen mit kraniofazialen Manifestationen sowie zur Detektion subtiler morphologischer Unterschiede, die auf Genmutationen zurückzuführen sind, eingesetzt werden13,14,15,16. Darüber hinaus kann die Integration verschiedener quantitativer Ansätze durch die Verknüpfung morphometrischer Daten mit funktionellen Analysen sowie genetischen Daten neue Erkenntnisse über die kraniofaziale Entwicklung in gesunden, aber auch in kranken Gruppen liefern.
Aufgrund der jüngsten Fortschritte in der Berechnung und Visualisierung ist die Durchführung dieser Art von Analyse jetzt auf PCs möglich, wobei bereits mehrere Softwarepakete verfügbar sind, darunter Checkpoint, Geomorph (ein Paket von R-Statistiksoftware), Amira-Avizo und SlicerMorph. Diese Programme können Forschern in medizinischen Bereichen, die mit multivariaten statistischen Analysen nicht vertraut sind, bei der Durchführung von GMA mit der Verfügbarkeit integrierter automatisierter Funktionen helfen.

Die kephalometrische Analyse, bei der die Zahn- und Skelettbeziehungen des menschlichen Schädels untersucht werden, ist die klinische Anwendung der Kephalometrie. Neben Anthropologen, Entwicklungsbiologen, Forensikern und kraniofazialen Forschern, die die menschliche Evolution und kraniofaziale Entwicklung untersuchen, wird es von Fachleuten für Mundgesundheit, einschließlich Zahnärzten, Kieferorthopäden sowie Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgen, als Instrument zur Behandlungsplanung verwendet. Die ersten Institutionen, die die kephalometrische Analyse in der Kieferorthopädie einsetzten, waren Hofrath in Deutschland und Broadbent in den USA im Jahr 1931 1,2,3. Das primäre Ziel der Analyse war es, eine theoretische und praktische Ressource zur Verfügung zu stellen, um die kraniofazialen Proportionen eines Individuums zu bewerten und die anatomische Ursache der Malokklusion zu definieren1. Auf diese Weise konnten das Wachstumsmuster von Ober- und Unterkiefer verfolgt, ihre relationalen Positionen im Raum überwacht und Veränderungen des Weichgewebes und der Zahnverschiebung beobachtet werden. Dadurch könnten Veränderungen durch die kieferorthopädische Behandlung überwacht und skelett- und zahnärztliche Beziehungen charakterisiert werden, um eine Diagnose für die Behandlungsplanung stellen zu können. Die Bewertung des dentofazialen Komplexes erfolgte durch den Vergleich der kephalometrischen Nachverfolgung eines Patienten mit Referenzwerten, die für eine normale Bevölkerung ähnlichen Alters, ähnlicher Rasse und ähnlicher ethnischer Zugehörigkeit repräsentativ waren1.
Die traditionelle Analysemethode bestand in einer zweidimensionalen (2D) Darstellung von dreidimensionalen (3D) Strukturen 4,5. Ein großer Nachteil dieser Technik ist die Verzerrung und Vergrößerung anatomischer Strukturen durch konventionelle Röntgenbildgebung auf Normalfilm oder digitalen Formaten, was zu ungenauen kephalometrischen Nachzeichnungen und Interpretationen führen kann 6,7. Die anfängliche Einführung der 3D-Bildgebung in Form von axialer Computertomographie (CT) und Spiral-CT umfasste aufgrund der hohen Kosten und hohen Strahlendosen keine zahnmedizinischen oder nicht-medizinischen Anwendungen. Das Aufkommen von DVT-Scans (Cone Beam Computertomographie) entschärfte diese Bedenken jedoch, da die Kosten und die Strahlendosis deutlich niedriger waren als bei CT1. Die Verschiebung in diesem bildgebenden Narrativ führte zu einer weit verbreiteten Verwendung von DVT in der Kieferorthopädie zur Verbesserung der Diagnose und Behandlungsplanung. Der Hauptvorteil der 3D-Bildgebung gegenüber der herkömmlichen 2D-Bildtechnik besteht darin, dass 3D es dem Untersucher ermöglicht, anatomische Strukturen ohne Überlagerungen und räumliche Verzerrungen (d. h. Kopfposition des Individuums) zu betrachten. Daher ist eine viel genauere Positionierung der anatomischen Orientierungspunkte möglich, die für die Durchführung der kephalometrischen Analyse verwendet werden, insbesondere bei Gesichtsasymmetrie. Darüber hinaus kann ein viel größerer anatomischer Bereich analysiert werden.
Einer der jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Kephalometrie ist die Implementierung von Deep Learning (DL) zur automatisierten Erkennung von Orientierungspunkten 8,9,10,11. Obwohl die Ergebnisse dieser Studien vielversprechend sind, ist die Genauigkeit bei der Platzierung der Orientierungspunkte noch nicht zufriedenstellend. Darüber hinaus verwenden die meisten dieser Studien relativ kleine Landmark-Sets, die aus früheren 2D-Fernröntgenanalysen abgeleitet wurden, was eine unzureichende Abdeckung der Schädelbasis bietet, die eine wichtige Struktur für die Untersuchung des kraniofazialen Wachstums und der kraniofazialen Entwicklung darstellt. Dieses Demonstrationsvideo zeigt im Detail eine Methodik für die Durchführung manueller, hochpräziser 3D-Fernröntgenanalysen unter Verwendung eines validierten Satzes von 3D-Skelettgewebe-Orientierungspunkten, die die Bereiche Gesicht, Schädelbasis, Unterkiefer und Zähne für die Verwendung in klinischen und Forschungsstudien mit DVT-Bildgebung abdecken4. Ein Beispiel für eine abgeschlossene 3D-Analyse ist in Abbildung 1 zu sehen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Invivo6 Dental Software</td>
			<td>Anatomage</td>
			<td>N/A</td>
			<td>3D Imaging Software (including 3D analysis module)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

three-dimensional cephalometric landmark annotation demonstration on human cone beam computed tomography scans

Die kraniofaziale Fernröntgenanalyse ist ein diagnostisches Instrument zur Beurteilung der Beziehung zwischen verschiedenen Knochen und Weichteilen in Kopf und Gesicht. Die kephalometrische Analyse wurde traditionell unter Verwendung von 2D-Röntgenbildern und Landmark-Sets durchgeführt und war auf Größen-, Linear- und Winkelmessungen sowie 2D-Beziehungen beschränkt. Der zunehmende Einsatz von 3D-Cone-Beam-Computertomographie-Scans (DVT) im zahnmedizinischen Bereich diktiert die Notwendigkeit der Entwicklung zur 3D-Fernröntgenanalyse, die die Form und eine realistischere Analyse der Längsschnittentwicklung in allen drei Ebenen einbezieht. Diese Studie ist eine Demonstration der 3D-Fernröntgenanalyse unter Verwendung eines validierten Satzes von Skelettgewebe-Orientierungspunkten auf menschlichen DVT-Scans. Detaillierte Anweisungen für die Kommentierung jedes Orientierungspunkts auf einem 3D-Volumen werden als Teil eines Schritt-für-Schritt-Protokolls bereitgestellt. Die generierten Messungen und 3D-Koordinaten der Landmarken können exportiert und sowohl für klinische als auch für Forschungszwecke verwendet werden. Die Einführung der 3D-Fernröntgenanalyse in grundlegenden und klinischen kraniofazialen Studien wird zu zukünftigen Fortschritten auf dem Gebiet des kraniofazialen Wachstums und der kraniofazialen Entwicklung führen.

Cephalometric analysis, which examines the dental and skeletal relationships of the human skull, is the clinical application of cephalometry. In addition to anthropologists, developmental biologists, forensic experts, and craniofacial researchers who study human evolution and craniofacial development, it is utilized by oral health professionals, including dentists, orthodontists, and oral and maxillofacial surgeons, as a treatment planning tool. The earliest institutions that used cephalometric analysis in orthodontics were Hofrath in Germany and Broadbent in the USA in 19311,2,3. The primary objective of the analysis was to provide a theoretical and practical resource to evaluate the craniofacial proportions of an individual and to define the anatomical source of malocclusion1. This allowed for the growth pattern of the maxilla and mandible to be tracked, their relational positions in space to be monitored, and changes in soft tissue and teeth displacement to be observed. As a result, changes brought about by orthodontic treatment could be monitored, and skeletal and dental relationships could be characterized for a diagnosis to be made for treatment planning. Evaluation of the dentofacial complex was done by comparing a patient&#39;s cephalometric tracing with reference values that were representative of a normal population of similar age, race, and ethnicity1.
The traditional method of analysis consisted of a two-dimensional (2D) depiction of three-dimensional (3D) structures4,5. A major setback of this technique is the distortion and magnification of anatomical structures via conventional x-ray imaging on plain film or digital formats, which can lead to inaccurate cephalometric tracings and interpretations6,7. The initial introduction of 3D imaging in the form of axial computed tomography (CT) and spiral CT did not include dental or non-medical applications due to high cost and high radiation doses. However, the emergence of cone beam computed tomography (CBCT) scans mitigated these concerns, as expenses and radiation doses were significantly lower than CT1. The shift in this imaging narrative galvanized the widespread use of CBCT in orthodontics for improvement in diagnosis and treatment planning. The main advantage of 3D imaging over the conventional 2D image technique is that 3D allows the examiner to view anatomical structures without superimpositions and spatial distortions (i.e., head position of the individual). Therefore, a much more accurate positioning of the anatomical landmarks used for the conduction of cephalometric analysis is possible, especially in cases of facial asymmetry. Moreover, a much larger anatomical area can be analyzed.
One of the most recent advances in the field of cephalometry is the implementation of deep learning (DL) for automated landmark detection8,9,10,11. Although the results of these studies are promising, the levels of accuracy in the placement of the landmarks are not yet satisfactory. Moreover, most of these studies use relatively small landmark sets that are derived from previous 2D cephalometric analyses, providing insufficient coverage of the cranial base, which is an important structure for the study of craniofacial growth and development. This demonstration video showcases in detail a methodology for the conduction of manual, high-accuracy 3D cephalometric analysis with the use of a validated set of 3D skeletal tissue landmarks covering the areas of the face, cranial base, mandible, and teeth for use in clinical and research studies involving CBCT imaging4. An example of a completed 3D analysis can be seen in Figure 1.

Autor im Rampenlicht: Dreidimensionale Demonstration der kephalometrischen Landmark-Annotation auf menschlichen Cone-Beam-Computertomographie-Scans  

Dreidimensionale Demonstration der kephalometrischen Landmark-Annotation auf Computertomographie-Scans des menschlichen Kegelstrahls

The aim of this project is to provide a detailed methodology for the conduction of 3D cephalometric analysis with the use of a validated set of 3D skeletal landmarks. These landmarks cover the areas of the cranial base, face maxilla and mandible, and can be used in clinical as well as research studies. There is a learning curve for those who annotate the landmarks for the first time on the 3D volume, and a lot of practice is strongly recommended to acquire more experience and consistency before applying these landmarks on clinical and research studies.The 3D cephalometric analysis offers more accurate measures in comparison to 2D cephalometric analysis. Because of the distortion and magnification of the anatomical structures in conventional x-ray films and 2D digital formats, 2D cephalometric analysis can lead to in accurate tracings and interpretations. Moreover, the coordinates of the 3D landmarks can be exported and used for the conduction of geometric-morphometric analysis to study shape.The use of the 3D landmark data analysis can be part of an in-depth quantitative phenotypic approach in the case of craniofacial deformities. In addition, the integration of morphometric analysis with functional analysis and genetic information will provide new knowledge in the case of craniofacial development in healthy as well as disease cohorts.

Die Annotation einer validierten 3D-Landmark-Konfiguration wird anhand eines Schritt-für-Schritt-Protokolls und einer Videodemonstration detailliert beschrieben. Es werden spezifische Anweisungen für die Beschriftung jedes Orientierungspunkts auf dem 3D-Volumen sowie für die Verfeinerung ihrer Anfangspositionen mit Hilfe der 2D-Schnittansichten bereitgestellt, die jeder Raumebene entsprechen. Durch die Befolgung der detaillierten Methodik im Protokoll in Kombination mit den Videoanweisungen kann der Benutzer lernen, wie man eine kephalometrische Analyse mit Hilfe von menschlichen DVT-Scans durchführt.
Abbildung 1 zeigt Frontal- und Dreiviertelansichten eines vollständigen Kopf-DVT-Scans eines menschlichen Schädels mit den annotierten 3D-Orientierungspunkten, die in der aktuellen Konfiguration enthalten sind. Alle beschriebenen Orientierungspunkte sind Typ 1 und Typ 2. Orientierungspunkte vom Typ 1 stellen klar erkennbare Punkte dar, die normalerweise am Schnittpunkt verschiedener anatomischer Strukturen beobachtet werden. Orientierungspunkte des Typs 2 stellen Punkte mit maximaler Krümmung auf der Kontur erkennbarer anatomischer Strukturendar 12. In diese Analyse wurden keine Typ-3- oder Semi-Landmarken einbezogen.
Nach Abschluss der Annotation der Orientierungspunkte gibt es zwei Arten von Daten, die vom Benutzer exportiert und weiter analysiert werden können: kephalometrische Messungen und 3D-Koordinatenwerte. Es werden die Werte der wichtigsten kephalometrischen Messungen angegeben, die für die Diagnose und Beurteilung einer dentoskelettalen Malokklusion erforderlich sind. Diese Messungen ermöglichen eine detaillierte Beurteilung der Skelett- und Zahnbeziehungen in allen drei Raumebenen: sagittal, vertikal und transversal. Die 3D-Koordinatenwerte (x, y, z) jedes Orientierungspunkts können exportiert und für die Berechnung von Winkeln und linearen Entfernungen verwendet werden. Die Werte der gleichen Koordinaten können für die Durchführung einer multivariaten geometrisch-morphometrischen Analyse (GMA) verwendet werden. GMA ist eine Methode zur Untersuchung von Formen, die morphologisch unterschiedliche Formvariablen unter Verwendung kartesischer Landmark- und/oder Semi-Landmark-Koordinaten erfassen kann. Verschiedene statistische Verfahren können verwendet werden, um die Form zu untersuchen, ohne die Größe, Position oder Ausrichtung der untersuchten Strukturen zu berücksichtigen. Die geometrische Morphometrie ist derzeit die etablierteste morphometrische Theorie für den Umgang mit Orientierungspunktdaten.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65224/65224fig01.jpg"> Abbildung 1: Frontal- und Dreiviertelansichten eines DVT-Vollkopfscans eines menschlichen Schädels mit den annotierten 3D-Orientierungspunkten, die in der aktuellen Konfiguration enthalten sind. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/65224fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Ergänzende Datei 1: Konfigurationsdatei mit den in diesem Protokoll verwendeten Orientierungspunkten, die zur Analyse direkt in die Software hochgeladen werden kann. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/AnalysisCFGUser.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Cephalometric Landmark Annotation Demonstration on Human Cone Beam Computed Tomography Scans at JoVE.com

Hier wird ein detailliertes Protokoll für die Durchführung von dreidimensionalen Fernröntgenanalysen unter Verwendung von humanen Kegelstrahl-Computertomographie-Scans vorgestellt.

Craniofacial cephalometric analysis is a diagnostic tool used for the assessment of the relationship of various bones and soft tissues in the head and ...

Das Ziel dieses Projekts ist es, eine detaillierte Methodik für die Durchführung von 3D-Fernröntgenanalysen unter Verwendung eines validierten Satzes von 3D-Skelettorientierungspunkten bereitzustellen. Diese Orientierungspunkte decken die Bereiche der Schädelbasis, des Gesichts, des Oberkiefers und des Unterkiefers ab und können sowohl in klinischen als auch in Forschungsstudien verwendet werden. Es gibt eine Lernkurve für diejenigen, die die Orientierungspunkte zum ersten Mal auf dem 3D-Volumen kommentieren, und es wird dringend empfohlen, viel Übung zu üben, um mehr Erfahrung und Konsistenz zu sammeln, bevor diese Orientierungspunkte auf klinische und Forschungsstudien angewendet werden.Die 3D-Fernröntgenanalyse bietet im Vergleich zur 2D-Fernröntgenanalyse genauere Messungen. Aufgrund der Verzerrung und Vergrößerung der anatomischen Strukturen in herkömmlichen Röntgenfilmen und digitalen 2D-Formaten kann die 2D-Fernröntgenanalyse zu genauen Nachzeichnungen und Interpretationen führen. Darüber hinaus können die Koordinaten der 3D-Landmarken exportiert und für die Durchführung von geometrisch-morphometrischen Analysen zur Untersuchung der Form verwendet werden.Der Einsatz der 3D-Landmark-Datenanalyse kann Teil eines tiefgreifenden quantitativen phänotypischen Ansatzes bei kraniofazialen Deformitäten sein. Darüber hinaus wird die Integration der morphometrischen Analyse mit funktionellen Analysen und genetischen Informationen neue Erkenntnisse im Falle der kraniofazialen Entwicklung sowohl in gesunden als auch in Krankheitskohorten liefern.

three-dimensional-cephalometric-landmark-annotation-demonstration-on

Research

JoVE Journal

Medicine

Three-Dimensional Cephalometric Landmark Annotation Demonstration on Human Cone Beam Computed Tomography Scans

1.7K Aufrufe.  National Institute of Dental and Craniofacial Research. Das Ziel dieses Projekts ist es, eine detaillierte Methodik für die Durchführung von 3D-Fernröntgenanalysen unter Verwendung eines validierten Satzes von 3D-Skelettorientierungspunkten bereitzustellen. Diese Orientierungspunkte decken die Bereiche der Schädelbasis, des Gesichts, des Oberkiefers und des Unterkiefers ab und können sowohl in klinischen als auch in Forschungsstudien verwendet werden. Es gibt eine Lernkurve für diejenigen, die die Orientierungspunkte zum ersten Mal auf dem 3...

Serie: Autor im Rampenlicht: Dreidimensionale Demonstration der kephalometrischen Landmark-Annotation auf menschlichen Cone-Beam-Computertomographie-Scans  

Craniofacial cephalometric analysis is a diagnostic tool used for the assessment of the relationship of various bones and soft tissues in the head and face. Cephalometric analysis has been traditionally conducted with the use of 2D radiographs and landmark sets and restricted to size, linear and angular measurements, and 2D relationships. The increasing use of 3D cone beam computed tomography (CBCT) scans in the dental field dictates the need for the evolution to 3D cephalometric analysis, which incorporates shape and a more realistic analysis of longitudinal development in all three planes. This study is a demonstration of 3D cephalometric analysis with the use of a validated set of skeletal tissue landmarks on human CBCT scans. Detailed instructions for the annotation of each landmark on a 3D volume are provided as part of a step-by-step protocol. The generated measurements and 3D coordinates of the landmarks can be exported and used both for clinical and research purposes. The introduction of 3D cephalometric analysis in basic and clinical craniofacial studies will lead to future advancements in the field of craniofacial growth and development.

Presented here is a detailed protocol for the conduction of three-dimensional cephalometric analysis with the use of human cone beam computed tomography scans.

Forschung

Medizin

Uploading the CBCT Scan, System Set-Up, and Annotation of 3D Anatomical Landmarks

To begin, open the software invivo six, and click on browse file from this device. Select the scan to be analyzed and click open. Go to the 3D analysis module and click on the save information floppy disk icon.Then select load a configuration and browse for the configuration file. Click on the reorientation icon. In the window that opens, select the by picking landmarks option.This allows the user to orientate all the scans, in the same way. For this protocol nasion is selected as the origin landmark. Then three point definition with landmarks, right orbitally right porion left, porion, and define anterior, posterior axis, midsagittal plane with landmarks, nasion and basion are selected.Adjust the brightness and contrast, to reduce the CBCT scam image noise from the menu on the left side of the screen. Zoom in and out by holding down the control key and left clicking simultaneously and sliding across the screen. Move the image in a bodily manner by holding down the shift key and left clicking simultaneously and sliding across the screen.Enable clipping from the settings menu to create sectional views in all planes of space. To add new landmarks in the settings menu, click on landmarks, to reveal a list of available landmark options and then select the landmark of choice. To set a default view for landmarks, select tracing task.Click on edit, choose landmark. Set the view as desired, and click on use current view settings. Repeat these steps to change the default view for any additional landmark.To annotate 3D anatomical landmarks, select create tracing from the top of the menu, and click start. Start annotating the 3D landmarks by left clicking directly on the 3D volume at the location where the landmark should be placed, based on its definition. Adjust the location of the landmark using the section views on the right of the screen.In case they cannot be seen from the layout selection menu, select slice locator. To confirm the placement of a landmark, click stop and select the desired view to visualize the landmark. Then proceed to place the remaining landmarks.To change the position of the landmark using the 3D volume, stop the analysis by clicking on stop at the bottom of the tracing tasks menu. Click on the landmark point to be moved, and drag it to the new desired position. Re-annotate a landmark by double clicking on the ticked square next to the landmark and then answering yes to the follow-up question.

Hochladen des DVT-Scans, der Systemeinrichtung und der Annotation von anatomischen 3D-Orientierungspunkten

Definition and Specific Annotation Instructions for the 3D Cephalometric Landmarks

Start with the annotation of the preselected origin landmarks. The midpoint on the anterior border of the anterior curvature of the foramen magnum is called basion. To annotate basion for the axial section, locate the deepest end of the curvature of the section of the foramen magnum.For the sagittal section, look for the most posterior point of the midsection of the foramen magnum. For the coronal section, look for the inferior midpoint of the curvature of the foramen magnum. The most superior, posterior and external point located at the upper margin of each ear canal is called porion.To annotate porion for the axial section, look for the edge of the margin of the external auditory meatus. For the sagittal section, look for the point of intersection of the eustachian tube with the bony canal. For the coronal section, look for the midpoint on the inferior border of the superior curvature.The vertical line through the point roughly bisects the ear canal. The landmark nasion is located at the intersection of the suture between the frontal bone and the nasal bones. For the axial section, look for the midpoint at the height of curvature of the suture.For the sagittal section, look for the anterior point of the suture where the frontal and nasal bones meet. For the coronal section, look for the center of the frontal nasal suture. The vertical line through it roughly bisects the nose.Orbitale is the most an inferior point on the inferior orbital rim. To annotate this, set the frontal view or bony window as default and clip axially from inferior to superior until the curvature of the lower margin of the orbit is reached to locate the inferior most point of the lower curvature of the orbit. Use 2D views to confirm that the landmark is on the bone.Adjust the sagittal and coronal sections to reflect the anterior positioning of orbitale. Ensure that the landmark is anterior in position just to the point where the orbital rim starts to curve out. The most superior and anterior point of the superior orbital rim is called supraorbitale.To annotate it, set the frontal view as default in the 3D volume, and gradually clip axially from superior to inferior until the curvature of the upper margin of the orbit is reached to locate the most superior point of the upper border of the orbit. Adjust the sagittal and coronal sections to reflect the anterior positioning of the landmark. Ensure that the landmark is anterior in position just to the point where the orbital room starts to curve out.For the sella midpoint, look for the center of the sella turcica or hypophyseal fossa, which is a saddle shaped depression in the body of the sphenoid bone where the pituitary gland or hypothesis is positioned. Adjust the landmark to the center of the sella turcica in all planes. For the sagittal section, place the landmark in the center of the sella turcica.For the axial and coronal sections, adjust the views accordingly. Next, trace the right mandibular profile with a series of points. Then do the same for the left mandibular profile.After tracing the mandibular profile, the landmarks, condilion, gonion, and antigonion are annotated automatically. Identify the condilion as the most posterior and superior point on the condyle and the gonion as the most outward point on the angle formed by the junction of the ramus and the body of the mandible. Then identify the antigonion as the highest point of the concavity of the lower border of the ramus where it joins the body of the mandible.The frontal and three-quarter views of a full head CBCT scan of a human skull with all the annotated three D landmarks included in the current configuration are presented in this figure.