Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación Intramuros del Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial (NIDCR) de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), y el programa de Educación Avanzada en Ortodoncia y Ortopedia Dentofacial de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Roseman.

Demostración de anotación de puntos de referencia cefalométricos en 3D en escaneos CBCT humanos

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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>

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

La medicina y la odontología ya han entrado en la era de las imágenes 3D. En las disciplinas de imágenes craneofaciales y dentales, las exploraciones CBCT se utilizan cada vez más, debido a la baja radiación y la disminución del costo de los sistemas actualizados en comparación con las máquinas CT tradicionales, la fácil calibración del uso del personal, la adquisición relativamente rápida y fácil con una cooperación mínima del paciente, así como la capacidad de generar muchas otras imágenes de diagnóstico y análisis a partir de una sola exploración. Por lo tanto, es esencial que los médicos e investigadores sepan cómo leer, diagnosticar y analizar estas imágenes 3D, así como aprender a estudiar el crecimiento y desarrollo craneofacial en 3D.
Para ayudar a los médicos e investigadores en este campo, presentamos un protocolo paso a paso y una demostración en video para la realización de análisis cefalométricos 3D con el uso de exploraciones CBCT humanas. Estos hitos han sido previamente definidos y validados en una publicación anterior, donde se confirmó su precisión y repetibilidad4. Las instrucciones detalladas de refinamiento para cada punto de referencia también ayudan a los usuarios a anotar correctamente cada punto de referencia. El proceso de anotación de puntos de referencia se simplifica aún más con el uso de vistas preestablecidas del escaneo que corresponden al área en la que se debe colocar cada punto de referencia. Esta función ahorra mucho tiempo y esfuerzo para el usuario. Sin embargo, hay una curva de aprendizaje involucrada, y los usuarios requieren práctica para lograr una anotación precisa del punto de referencia.
La configuración de punto de referencia 3D validada utilizada en este protocolo proporciona una cobertura suficiente del tejido esquelético de la cara, el maxilar, la mandíbula y la base craneal. De esta manera, la verdadera morfología de las estructuras craneofaciales se representa con mayor precisión para la evaluación de las dimensiones, configuración y orientación del complejo craneofacial y sus estructuras componentes. Los puntos de referencia de tejidos blandos no están incluidos en este protocolo, pero los usuarios pueden agregar puntos de referencia de elección a la configuración proporcionada, como se describe en el protocolo. Además, por razones prácticas, este protocolo no podría incluir instrucciones específicas para otro software de análisis 3D, pero puede ser adaptado en consecuencia por cada usuario.
Además del valor diagnóstico de las mediciones cefalométricas estándar generadas, principalmente para los médicos, la libertad ofrecida con el uso de este análisis para calcular ángulos y distancias lineales entre cualquier punto de referencia 3D permitirá el establecimiento de nuevos análisis cefalométricos que proporcionarán evaluaciones más detalladas y completas. Sin embargo, nuestra dirección futura incluye el establecimiento de nuevos valores normativos respectivos, de la misma manera que los valores normativos 2D se crearon en el pasado.
Además, las aplicaciones de GMA basado en marcas en el campo clínico y de investigación craneofacial se están desarrollando a un ritmo rápido. Los investigadores en biología evolutiva y del desarrollo y antropología han estado utilizando este análisis durante más de una década, pero recientemente también se han presentado nuevas aplicaciones clínicas en los campos de la ortodoncia, la ortopedia dentofacial y la cirugía craneofacial. La GMA también puede ser utilizada como parte de un fenotipado cuantitativo en el caso de enfermedades congénitas con manifestaciones craneofaciales, así como para la detección de diferencias morfológicas sutiles atribuidas a mutaciones genéticas13,14,15,16. Además, la integración de diferentes enfoques cuantitativos mediante la vinculación de datos morfométricos con análisis funcionales, así como datos genéticos, puede proporcionar nuevos conocimientos sobre el desarrollo craneofacial en grupos sanos y de enfermedades.
Debido a los recientes avances en computación y visualización, la conducción de este tipo de análisis ahora es factible en computadoras personales, con varios paquetes de software ya disponibles, incluidos Checkpoint, Geomorph (un paquete de software estadístico R), Amira-Avizo y SlicerMorph. Estos programas pueden ayudar a los investigadores en los campos médicos que pueden no estar familiarizados con los análisis estadísticos multivariados para realizar GMA con la disponibilidad de funciones automatizadas incorporadas.

El análisis cefalométrico, que examina las relaciones dentales y esqueléticas del cráneo humano, es la aplicación clínica de la cefalometría. Además de antropólogos, biólogos del desarrollo, expertos forenses e investigadores craneofaciales que estudian la evolución humana y el desarrollo craneofacial, es utilizado por profesionales de la salud oral, incluidos dentistas, ortodoncistas y cirujanos orales y maxilofaciales, como una herramienta de planificación del tratamiento. Las primeras instituciones que utilizaron el análisis cefalométrico en ortodoncia fueron Hofrath en Alemania y Broadbent en los Estados Unidos en 1931 1,2,3. El objetivo principal del análisis fue proporcionar un recurso teórico y práctico para evaluar las proporciones craneofaciales de un individuo y definir la fuente anatómica de la maloclusión1. Esto permitió rastrear el patrón de crecimiento del maxilar y la mandíbula, monitorear sus posiciones relacionales en el espacio y observar los cambios en los tejidos blandos y el desplazamiento de los dientes. Como resultado, los cambios provocados por el tratamiento de ortodoncia podrían ser monitoreados, y las relaciones esqueléticas y dentales podrían caracterizarse para un diagnóstico que se debe hacer para la planificación del tratamiento. La evaluación del complejo dentofacial se realizó comparando el trazado cefalométrico de un paciente con valores de referencia representativos de una población normal de edad, raza y etnia similares1.
El método tradicional de análisis consistió en una representación bidimensional (2D) de estructuras tridimensionales (3D) 4,5. Un retroceso importante de esta técnica es la distorsión y ampliación de estructuras anatómicas a través de imágenes convencionales de rayos X en formatos de película simple o digital, lo que puede conducir a trazados e interpretaciones cefalométricas inexactas 6,7. La introducción inicial de imágenes 3D en forma de tomografía computarizada axial (TC) y TC espiral no incluyó aplicaciones dentales o no médicas debido al alto costo y las altas dosis de radiación. Sin embargo, la aparición de tomografías computarizadas de haz cónico (CBCT) mitigó estas preocupaciones, ya que los gastos y las dosis de radiación fueron significativamente más bajos que la TC1. El cambio en esta narrativa de imágenes galvanizó el uso generalizado de CBCT en ortodoncia para mejorar el diagnóstico y la planificación del tratamiento. La principal ventaja de la imagen 3D sobre la técnica convencional de imagen 2D es que 3D permite al examinador ver estructuras anatómicas sin superposiciones y distorsiones espaciales (es decir, la posición de la cabeza del individuo). Por lo tanto, es posible un posicionamiento mucho más preciso de los puntos de referencia anatómicos utilizados para la conducción del análisis cefalométrico, especialmente en casos de asimetría facial. Además, se puede analizar un área anatómica mucho más grande.
Uno de los avances más recientes en el campo de la cefalometría es la implementación del aprendizaje profundo (DL) para la detección automatizada de puntos de referencia 8,9,10,11. Aunque los resultados de estos estudios son prometedores, los niveles de precisión en la colocación de los puntos de referencia aún no son satisfactorios. Además, la mayoría de estos estudios utilizan conjuntos de puntos de referencia relativamente pequeños que se derivan de análisis cefalométricos 2D previos, proporcionando una cobertura insuficiente de la base craneal, que es una estructura importante para el estudio del crecimiento y desarrollo craneofacial. Este video de demostración muestra en detalle una metodología para la realización de análisis cefalométricos 3D manuales de alta precisión con el uso de un conjunto validado de puntos de referencia de tejido esquelético 3D que cubren las áreas de la cara, la base craneal, la mandíbula y los dientes para su uso en estudios clínicos y de investigación que involucran imágenes CBCT4. Un ejemplo de un análisis 3D completado se puede ver en la Figura 1.

<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

El análisis cefalométrico craneofacial es una herramienta de diagnóstico utilizada para la evaluación de la relación de varios huesos y tejidos blandos en la cabeza y la cara. El análisis cefalométrico se ha realizado tradicionalmente con el uso de radiografías 2D y conjuntos de puntos de referencia y restringido a medidas de tamaño, lineales y angulares, y relaciones 2D. El creciente uso de tomografías computarizadas de haz cónico 3D (CBCT) en el campo dental dicta la necesidad de la evolución al análisis cefalométrico 3D, que incorpora la forma y un análisis más realista del desarrollo longitudinal en los tres planos. Este estudio es una demostración del análisis cefalométrico 3D con el uso de un conjunto validado de puntos de referencia del tejido esquelético en exploraciones CBCT humanas. Las instrucciones detalladas para la anotación de cada punto de referencia en un volumen 3D se proporcionan como parte de un protocolo paso a paso. Las mediciones generadas y las coordenadas 3D de los puntos de referencia se pueden exportar y utilizar tanto para fines clínicos como de investigación. La introducción del análisis cefalométrico 3D en estudios craneofaciales básicos y clínicos conducirá a futuros avances en el campo del crecimiento y desarrollo craneofacial.

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 destacado: Demostración de anotación tridimensional de puntos de referencia cefalométricos en tomografías computarizadas de haz cónico humano  

Demostración de anotación de hito cefalométrico tridimensional en tomografías computarizadas de haz cónico humano

La anotación de una configuración de punto de referencia 3D validada se describe en detalle con el uso de un protocolo paso a paso y una demostración de video. Se proporcionan instrucciones específicas para la anotación de cada punto de referencia en el volumen 3D, así como el refinamiento de sus posiciones iniciales con la ayuda de las vistas de sección 2D que corresponden a cada plano de espacio. Al seguir la metodología detallada proporcionada en el protocolo en combinación con las instrucciones de video, el usuario puede aprender cómo realizar análisis cefalométricos con el uso de exploraciones CBCT humanas.
La Figura 1 representa vistas frontales y tres cuartos de una exploración CBCT de cabeza completa de un cráneo humano con los puntos de referencia 3D anotados incluidos en la configuración actual. Todos los puntos de referencia descritos son Tipo 1 y Tipo 2. Los puntos de referencia de tipo 1 representan puntos claramente reconocibles que generalmente se observan en la intersección de distintas estructuras anatómicas. Los puntos de referencia de tipo 2 representan puntos de curvatura máxima en el contorno de estructuras anatómicas reconocibles12. No se incluyeron en este análisis el tipo 3 ni los semipuntos de referencia.
Después de completar la anotación de los puntos de referencia, hay dos tipos de datos que pueden ser exportados y analizados por el usuario: medición cefalométrica y valores de coordenadas 3D. Se proporcionan los valores de las mediciones cefalométricas clave requeridas para el diagnóstico y la evaluación de la maloclusión dentosquelética. Estas mediciones proporcionan una evaluación detallada de las relaciones esqueléticas y dentales en los tres planos del espacio: sagital, vertical y transversal. Los valores de coordenadas 3D (x, y, z) de cada punto de referencia se pueden exportar y utilizar para el cálculo de ángulos y distancias lineales. Los valores de las mismas coordenadas se pueden utilizar para la conducción de análisis morfométrico geométrico multivariante (GMA). GMA es un método para estudiar la forma que puede capturar variables de forma morfológicamente diferentes utilizando coordenadas cartesianas de punto de referencia y / o semi-punto de referencia. Se pueden utilizar varias técnicas estadísticas para examinar la forma, sin tener en cuenta el tamaño, la ubicación o la orientación de las estructuras examinadas. La morfometría geométrica es actualmente el cuerpo más establecido de la teoría morfométrica para manejar datos basados en puntos de referencia.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65224/65224fig01.jpg"> Figura 1: Vistas frontales y de tres cuartos de una exploración CBCT de cabeza completa de un cráneo humano con los puntos de referencia 3D anotados incluidos en la configuración actual. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/65224fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Archivo complementario 1: Archivo de configuración que incluye los puntos de referencia utilizados en este protocolo que se puede cargar directamente en el software para su análisis. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/AnalysisCFGUser.zip" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>

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

Aquí se presenta un protocolo detallado para la realización de análisis cefalométrico tridimensional con el uso de tomografías computarizadas de haz cónico humano.

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

El objetivo de este proyecto es proporcionar una metodología detallada para la realización de análisis cefalométricos 3D con el uso de un conjunto validado de puntos de referencia esqueléticos 3D. Estos puntos de referencia cubren las áreas de la base craneal, el maxilar de la cara y la mandíbula, y se pueden utilizar en estudios clínicos y de investigación. Hay una curva de aprendizaje para aquellos que anotan los puntos de referencia por primera vez en el volumen 3D, y se recomienda encarecidamente mucha práctica para adquirir más experiencia y consistencia antes de aplicar estos puntos de referencia en estudios clínicos y de investigación.El análisis cefalométrico 3D ofrece medidas más precisas en comparación con el análisis cefalométrico 2D. Debido a la distorsión y ampliación de las estructuras anatómicas en las películas de rayos X convencionales y los formatos digitales 2D, el análisis cefalométrico 2D puede conducir a trazados e interpretaciones precisas. Además, las coordenadas de los puntos de referencia 3D se pueden exportar y utilizar para la realización de análisis geométricos-morfométricos para estudiar la forma.El uso del análisis de datos de referencia 3D puede ser parte de un enfoque fenotípico cuantitativo en profundidad en el caso de deformidades craneofaciales. Además, la integración del análisis morfométrico con el análisis funcional y la información genética proporcionará nuevos conocimientos en el caso del desarrollo craneofacial en cohortes sanas y de enfermedades.

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 vistas.  National Institute of Dental and Craniofacial Research. El objetivo de este proyecto es proporcionar una metodología detallada para la realización de análisis cefalométricos 3D con el uso de un conjunto validado de puntos de referencia esqueléticos 3D. Estos puntos de referencia cubren las áreas de la base craneal, el maxilar de la cara y la mandíbula, y se pueden utilizar en estudios clínicos y de investigación. Hay una curva de aprendizaje para aquellos que anotan los puntos de referencia por primera vez en el volumen 3D, y se recomiend...

Video: Autor destacado: Demostración de anotación tridimensional de puntos de referencia cefalométricos en tomografías computarizadas de haz cónico humano  

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.