Questa ricerca è stata supportata dal programma di ricerca intramurale del National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) del National Institutes of Health (NIH) e dal programma Advanced Education in Orthodontics and Dentofacial Orthopedics del Roseman University College of Dental Medicine.

Dimostrazione dell'annotazione cefalometrica 3D su scansioni CBCT umane

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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=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>

Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.

La medicina e l'odontoiatria sono già entrate nell'era dell'imaging 3D. Nelle discipline dell'imaging craniofacciale e dentale, le scansioni CBCT sono sempre più utilizzate, a causa della bassa radiazione e del costo ridotto dei sistemi aggiornati rispetto alle tradizionali macchine CT, della facile calibrazione dell'utilizzo del personale, dell'acquisizione relativamente rapida e semplice con una cooperazione minima del paziente, nonché della capacità di generare più altre immagini diagnostiche e analisi da un'unica scansione. Pertanto, è essenziale che medici e ricercatori sappiano leggere, diagnosticare e analizzare queste immagini 3D, nonché imparare a studiare la crescita e lo sviluppo craniofacciale in 3D.
Per assistere medici e ricercatori in questo campo, presentiamo un protocollo passo-passo e una dimostrazione video per la conduzione di analisi cefalometriche 3D con l'uso di scansioni CBCT umane. Questi punti di riferimento sono stati precedentemente definiti e convalidati in una precedente pubblicazione, dove la loro accuratezza e ripetibilità sono state confermate4. Le istruzioni dettagliate per il perfezionamento di ogni punto di riferimento aiutano anche gli utenti nell'annotazione corretta di ciascun punto di riferimento. Il processo di annotazione dei punti di riferimento è ulteriormente semplificato con l'uso di viste preimpostate della scansione che corrispondono all'area in cui ciascun punto di riferimento deve essere posizionato. Questa funzione consente di risparmiare tempo e fatica per l'utente. Tuttavia, c'è una curva di apprendimento coinvolta e la pratica è richiesta dagli utenti per ottenere un'accurata annotazione dei punti di riferimento.
La configurazione 3D convalidata utilizzata in questo protocollo fornisce una copertura sufficiente del tessuto scheletrico del viso, della mascella, della mandibola e della base cranica. In questo modo, la vera morfologia delle strutture craniofacciali è rappresentata in modo più accurato per la valutazione delle dimensioni, della configurazione e dell'orientamento del complesso craniofacciale e delle sue strutture componenti. I punti di riferimento dei tessuti molli non sono inclusi in questo protocollo, ma gli utenti possono aggiungere punti di riferimento di scelta alla configurazione fornita, come descritto nel protocollo. Inoltre, per motivi pratici, questo protocollo potrebbe non includere istruzioni specifiche per altri software di analisi 3D, ma può essere adattato di conseguenza da ciascun utente.
Oltre al valore diagnostico delle misurazioni cefalometriche standard generate, principalmente per i clinici, la libertà offerta con l'uso di questa analisi per calcolare angoli e distanze lineari tra qualsiasi punto di riferimento 3D consentirà l'istituzione di nuove analisi cefalometriche che forniranno valutazioni più dettagliate e complete. Tuttavia, la nostra direzione futura include la creazione di nuovi rispettivi valori normativi, nello stesso modo in cui i valori normativi 2D sono stati creati in passato.
Inoltre, le applicazioni di GMA basati su punti di riferimento nel campo clinico e di ricerca craniofacciale si stanno sviluppando a un ritmo rapido. I ricercatori in biologia evolutiva e dello sviluppo e antropologia hanno utilizzato questa analisi per più di un decennio, ma nuove applicazioni cliniche sono state recentemente presentate anche nei campi dell'ortodonzia, dell'ortopedia dentofacciale e della chirurgia craniofacciale. GMA può essere utilizzato anche come parte di una fenotipizzazione quantitativa nel caso di malattie congenite con manifestazioni craniofacciali, nonché per l'individuazione di sottili differenze morfologiche attribuite alle mutazioni geniche13,14,15,16. Inoltre, l'integrazione di diversi approcci quantitativi collegando i dati morfometrici con l'analisi funzionale e i dati genetici può fornire nuove conoscenze sullo sviluppo craniofacciale in gruppi sani e patologici.
A causa dei recenti progressi nel calcolo e nella visualizzazione, la conduzione di questo tipo di analisi è ora fattibile sui personal computer, con diversi pacchetti software già disponibili, tra cui Checkpoint, Geomorph (un pacchetto di software statistico R), Amira-Avizo e SlicerMorph. Questi programmi possono aiutare i ricercatori nei campi medici che potrebbero non avere familiarità con le analisi statistiche multivariate per condurre GMA con la disponibilità di funzioni automatizzate integrate.

L'analisi cefalometrica, che esamina le relazioni dentali e scheletriche del cranio umano, è l'applicazione clinica della cefalometria. Oltre agli antropologi, ai biologi dello sviluppo, agli esperti forensi e ai ricercatori craniofacciali che studiano l'evoluzione umana e lo sviluppo craniofacciale, viene utilizzato dai professionisti della salute orale, tra cui dentisti, ortodontisti e chirurghi orali e maxillo-facciali, come strumento di pianificazione del trattamento. Le prime istituzioni che utilizzavano l'analisi cefalometrica in ortodonzia furono Hofrath in Germania e Broadbent negli Stati Uniti nel 1931 1,2,3. L'obiettivo primario dell'analisi è stato quello di fornire una risorsa teorica e pratica per valutare le proporzioni craniofacciali di un individuo e definire la fonte anatomica della malocclusione1. Ciò ha permesso di tracciare il modello di crescita della mascella e della mandibola, monitorare le loro posizioni relazionali nello spazio e osservare i cambiamenti nei tessuti molli e nello spostamento dei denti. Di conseguenza, i cambiamenti causati dal trattamento ortodontico potrebbero essere monitorati e le relazioni scheletriche e dentali potrebbero essere caratterizzate per una diagnosi da fare per la pianificazione del trattamento. La valutazione del complesso dentofacciale è stata effettuata confrontando il tracciamento cefalometrico di un paziente con valori di riferimento rappresentativi di una popolazione normale di età, razza ed etnia simili1.
Il metodo tradizionale di analisi consisteva in una rappresentazione bidimensionale (2D) di strutture tridimensionali (3D) 4,5. Una delle principali battute d'arresto di questa tecnica è la distorsione e l'ingrandimento delle strutture anatomiche tramite l'imaging a raggi X convenzionale su pellicola semplice o formati digitali, che può portare a tracciati e interpretazioni cefalometrici imprecisi 6,7. L'introduzione iniziale dell'imaging 3D sotto forma di tomografia computerizzata assiale (TC) e TC spirale non includeva applicazioni dentali o non mediche a causa dei costi elevati e delle alte dosi di radiazioni. Tuttavia, l'emergere di scansioni di tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT) ha mitigato queste preoccupazioni, poiché le spese e le dosi di radiazioni erano significativamente inferiori alla TC1. Il cambiamento in questa narrativa di imaging ha galvanizzato l'uso diffuso della CBCT in ortodonzia per migliorare la diagnosi e la pianificazione del trattamento. Il vantaggio principale dell'imaging 3D rispetto alla tecnica convenzionale dell'immagine 2D è che il 3D consente all'esaminatore di visualizzare strutture anatomiche senza sovrapposizioni e distorsioni spaziali (cioè la posizione della testa dell'individuo). Pertanto, è possibile un posizionamento molto più accurato dei punti di riferimento anatomici utilizzati per la conduzione dell'analisi cefalometrica, specialmente nei casi di asimmetria facciale. Inoltre, è possibile analizzare un'area anatomica molto più ampia.
Uno dei più recenti progressi nel campo della cefalometria è l'implementazione del deep learning (DL) per il rilevamento automatico dei punti di riferimento 8,9,10,11. Sebbene i risultati di questi studi siano promettenti, i livelli di precisione nel posizionamento dei punti di riferimento non sono ancora soddisfacenti. Inoltre, la maggior parte di questi studi utilizza set di punti di riferimento relativamente piccoli che derivano da precedenti analisi cefalometriche 2D, fornendo una copertura insufficiente della base cranica, che è una struttura importante per lo studio della crescita e dello sviluppo craniofacciale. Questo video dimostrativo mostra in dettaglio una metodologia per la conduzione di analisi cefalometriche 3D manuali ad alta precisione con l'uso di una serie convalidata di punti di riferimento del tessuto scheletrico 3D che coprono le aree del viso, della base cranica, della mandibola e dei denti da utilizzare in studi clinici e di ricerca che coinvolgono l'imaging CBCT4. Un esempio di analisi 3D completata può essere visto nella 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

L'analisi cefalometrica craniofacciale è uno strumento diagnostico utilizzato per la valutazione della relazione di varie ossa e tessuti molli nella testa e nel viso. L'analisi cefalometrica è stata tradizionalmente condotta con l'uso di radiografie 2D e set di punti di riferimento e limitata alle dimensioni, alle misurazioni lineari e angolari e alle relazioni 2D. L'uso crescente di scansioni 3D di tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT) in campo dentale impone la necessità dell'evoluzione verso l'analisi cefalometrica 3D, che incorpora la forma e un'analisi più realistica dello sviluppo longitudinale in tutti e tre i piani. Questo studio è una dimostrazione dell'analisi cefalometrica 3D con l'uso di una serie convalidata di punti di riferimento del tessuto scheletrico su scansioni CBCT umane. Istruzioni dettagliate per l'annotazione di ogni punto di riferimento su un volume 3D sono fornite come parte di un protocollo passo-passo. Le misurazioni generate e le coordinate 3D dei punti di riferimento possono essere esportate e utilizzate sia per scopi clinici che di ricerca. L'introduzione dell'analisi cefalometrica 3D negli studi craniofacciali di base e clinici porterà a futuri progressi nel campo della crescita e dello sviluppo craniofacciale.

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.

Autore in primo piano: Dimostrazione tridimensionale dell'annotazione cefalometrica su scansioni di tomografia computerizzata a fascio conico umano  

Dimostrazione di annotazione di riferimento cefalometrica tridimensionale su scansioni di tomografia computerizzata a fascio conico umano

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.

L'annotazione di una configurazione di punto di riferimento 3D convalidata viene descritta in dettaglio con l'uso di un protocollo passo-passo e una dimostrazione video. Vengono fornite istruzioni specifiche per l'annotazione di ciascun punto di riferimento sul volume 3D, nonché il perfezionamento delle loro posizioni iniziali con l'aiuto delle viste di sezione 2D che corrispondono a ciascun piano di spazio. Seguendo la metodologia dettagliata fornita nel protocollo in combinazione con le istruzioni video, l'utente può imparare come condurre analisi cefalometriche con l'uso di scansioni CBCT umane.
La Figura 1 rappresenta la vista frontale e di tre quarti di una scansione CBCT completa della testa di un cranio umano con i punti di riferimento 3D annotati inclusi nella configurazione corrente. Tutti i punti di riferimento descritti sono di tipo 1 e di tipo 2. I punti di riferimento di tipo 1 rappresentano punti chiaramente riconoscibili solitamente osservati all'intersezione di strutture anatomiche distinte. I punti di riferimento di tipo 2 rappresentano punti di massima curvatura sul contorno di strutture anatomiche riconoscibili12. Nessun tipo 3 o semi-punti di riferimento sono stati inclusi in questa analisi.
Dopo il completamento dell'annotazione dei punti di riferimento, ci sono due tipi di dati che possono essere esportati e ulteriormente analizzati dall'utente: misurazione cefalometrica e valori di coordinate 3D. Vengono forniti i valori delle principali misurazioni cefalometriche necessarie per la diagnosi e la valutazione della malocclusione dentosscheletrica. Queste misurazioni forniscono una valutazione dettagliata delle relazioni scheletriche e dentali in tutti e tre i piani dello spazio: sagittale, verticale e trasversale. I valori delle coordinate 3D (x, y, z) di ogni punto di riferimento possono essere esportati e utilizzati per il calcolo degli angoli e delle distanze lineari. I valori delle stesse coordinate possono essere utilizzati per la conduzione di analisi morfometriche geometriche multivariate (GMA). GMA è un metodo per studiare la forma in grado di catturare variabili di forma morfologicamente diverse utilizzando coordinate cartesiane di punto di riferimento e / o semi-punto di riferimento. Diverse tecniche statistiche possono essere utilizzate per esaminare la forma, senza tenere conto delle dimensioni, della posizione o dell'orientamento delle strutture esaminate. La morfometria geometrica è attualmente il corpo più consolidato della teoria morfometrica per la gestione di dati basati su punti di riferimento.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65224/65224fig01.jpg"> Figura 1: Vista frontale e a tre quarti di una scansione CBCT a testa intera di un cranio umano con i punti di riferimento 3D annotati inclusi nella configurazione corrente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/65224fig01large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
File supplementare 1: File di configurazione che include i punti di riferimento utilizzati in questo protocollo che può essere caricato direttamente sul software per l'analisi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/AnalysisCFGUser.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>

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

Presentato qui è un protocollo dettagliato per la conduzione di analisi cefalometriche tridimensionali con l'uso di scansioni di tomografia computerizzata a fascio conico umano.

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

Lo scopo di questo progetto è quello di fornire una metodologia dettagliata per la conduzione di analisi cefalometriche 3D con l'uso di un set validato di punti di riferimento scheletrici 3D. Questi punti di riferimento coprono le aree della base cranica, della mascella facciale e della mandibola e possono essere utilizzati in studi clinici e di ricerca. C'è una curva di apprendimento per coloro che annotano i punti di riferimento per la prima volta sul volume 3D, e molta pratica è fortemente raccomandata per acquisire più esperienza e coerenza prima di applicare questi punti di riferimento su studi clinici e di ricerca.L'analisi cefalometrica 3D offre misure più accurate rispetto all'analisi cefalometrica 2D. A causa della distorsione e dell'ingrandimento delle strutture anatomiche nelle pellicole a raggi X convenzionali e nei formati digitali 2D, l'analisi cefalometrica 2D può portare a tracciati e interpretazioni accurati. Inoltre, le coordinate dei punti di riferimento 3D possono essere esportate e utilizzate per la conduzione di analisi geometrico-morfometriche per studiare la forma.L'uso dell'analisi dei dati di riferimento 3D può far parte di un approccio fenotipico quantitativo approfondito nel caso di deformità craniofacciali. Inoltre, l'integrazione dell'analisi morfometrica con l'analisi funzionale e le informazioni genetiche fornirà nuove conoscenze nel caso dello sviluppo craniofacciale in coorti sane e patologiche.

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

Research

JoVE Journal

Medicine

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

1.6K Views.  National Institute of Dental and Craniofacial Research. Lo scopo di questo progetto è quello di fornire una metodologia dettagliata per la conduzione di analisi cefalometriche 3D con l'uso di un set validato di punti di riferimento scheletrici 3D. Questi punti di riferimento coprono le aree della base cranica, della mascella facciale e della mandibola e possono essere utilizzati in studi clinici e di ricerca. C'è una curva di apprendimento per coloro che annotano i punti di riferimento per la prima volta sul volume 3D, e molta pratica è forteme...

Video: Autore in primo piano: Dimostrazione tridimensionale dell'annotazione cefalometrica su scansioni di tomografia computerizzata a fascio conico umano  