Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa de Pesquisa Intramuros do National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) do National Institutes of Health (NIH) e pelo Programa de Educação Avançada em Ortodontia e Ortopedia Facial da Roseman University College of Dental Medicine.

Demonstração de anotação de ponto de referência cefalométrico 3D em varreduras de CBCT humanas

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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>

Os autores declaram não haver conflitos de interesse.

A medicina e a odontologia já entraram na era da imagem 3D. Nas disciplinas de imagem craniofacial e odontológica, os exames de TCFC estão sendo cada vez mais utilizados, devido à baixa radiação e ao menor custo dos sistemas atualizados em comparação com os aparelhos de TC tradicionais, fácil calibração de uso pessoal, aquisição relativamente rápida e fácil com mínima cooperação do paciente, bem como a capacidade de gerar várias outras imagens diagnósticas e análises a partir de um único exame. Portanto, é essencial que clínicos e pesquisadores saibam ler, diagnosticar e analisar essas imagens 3D, bem como aprender a estudar o crescimento e desenvolvimento craniofacial em 3D.
Para auxiliar clínicos e pesquisadores da área, apresentamos um protocolo passo-a-passo e uma demonstração em vídeo para a realização de análise cefalométrica 3D com o uso de TCFC em humanos. Esses pontos foram previamente definidos e validados em publicação anterior, onde sua acurácia e repetibilidade foram confirmadas4. As instruções detalhadas de refinamento para cada ponto de referência também auxiliam os usuários na anotação correta de cada ponto de referência. O processo de anotação de pontos de referência é ainda mais simplificado com o uso de visualizações predefinidas da varredura que correspondem à área em que cada ponto deve ser posicionado. Esta função economiza tempo e esforço significativos para o usuário. No entanto, há uma curva de aprendizado envolvida, e a prática é exigida pelos usuários para obter uma anotação precisa do marco.
A configuração validada de pontos de referência 3D usada neste protocolo fornece cobertura suficiente do tecido esquelético da face, maxila, mandíbula e base do crânio. Dessa forma, a verdadeira morfologia das estruturas craniofaciais é representada com maior precisão para avaliação das dimensões, configuração e orientação do complexo craniofacial e suas estruturas componentes. Pontos de referência de tecidos moles não estão incluídos neste protocolo, mas os usuários podem adicionar pontos de referência de escolha à configuração fornecida, conforme descrito no protocolo. Além disso, por razões práticas, este protocolo não poderia incluir instruções específicas para outros softwares de análise 3D, mas pode ser adaptado de acordo com cada usuário.
Além do valor diagnóstico das medidas cefalométricas padrão geradas, principalmente para os clínicos, a liberdade oferecida com o uso dessa análise para calcular ângulos e distâncias lineares entre quaisquer pontos de referência 3D permitirá o estabelecimento de novas análises cefalométricas que fornecerão avaliações mais detalhadas e completas. No entanto, nossa direção futura inclui o estabelecimento de novos valores normativos respectivos, da mesma forma que os valores normativos 2D foram criados no passado.
Além disso, as aplicações de GMA de base marcada no campo clínico e de pesquisa craniofacial estão se desenvolvendo em um ritmo acelerado. Pesquisadores da biologia evolutiva e do desenvolvimento e da antropologia vêm utilizando essa análise há mais de uma década, mas novas aplicações clínicas também têm sido apresentadas recentemente nas áreas de ortodontia, ortopedia e cirurgia craniofacial. O GMA também pode ser utilizado como parte de uma fenotipagem quantitativa no caso de doenças congênitas com manifestações craniofaciais, bem como para a detecção de diferenças morfológicas sutis atribuídas a mutações gênicas13,14,15,16. Além disso, a integração de diferentes abordagens quantitativas, relacionando dados morfométricos com análise funcional e dados genéticos, pode fornecer novos conhecimentos sobre o desenvolvimento craniofacial em grupos saudáveis e com doenças.
Devido aos recentes avanços em computação e visualização, a realização desse tipo de análise é agora viável em computadores pessoais, com vários pacotes de software já disponíveis, incluindo Checkpoint, Geomorph (um pacote de software estatístico R), Amira-Avizo e SlicerMorph. Esses programas podem auxiliar pesquisadores das áreas médicas que podem não estar familiarizados com análises estatísticas multivariadas para conduzir GMA com a disponibilidade de funções automatizadas integradas.

A análise cefalométrica, que examina as relações dentárias e esqueléticas do crânio humano, é a aplicação clínica da cefalometria. Além de antropólogos, biólogos do desenvolvimento, peritos forenses e pesquisadores craniofaciais que estudam a evolução humana e o desenvolvimento craniofacial, é utilizado por profissionais de saúde bucal, incluindo dentistas, ortodontistas e cirurgiões bucomaxilofaciais, como ferramenta de planejamento de tratamento. As primeiras instituições que utilizaram a análise cefalométrica em Ortodontia foram Hofrath, na Alemanha, e Broadbent, nos EUA, em 1931 1,2,3. O objetivo primário da análise foi fornecer um recurso teórico e prático para avaliar as proporções craniofaciais de um indivíduo e definir a fonte anatômica da máoclusão1. Isso permitiu rastrear o padrão de crescimento da maxila e da mandíbula, monitorar suas posições relacionais no espaço e observar mudanças no deslocamento de partes moles e dentes. Dessa forma, as mudanças trazidas pelo tratamento ortodôntico puderam ser monitoradas, e as relações esqueléticas e dentárias puderam ser caracterizadas para que um diagnóstico fosse feito para o planejamento terapêutico. A avaliação do complexo dentofacial foi feita comparando-se o traçado cefalométrico do paciente com valores de referência representativos de uma população normal de idade, raça e etniasemelhantes1.
O método tradicional de análise consistiu na representação bidimensional (2D) de estruturas tridimensionais (3D)4,5. Um grande contratempo dessa técnica é a distorção e magnificação das estruturas anatômicas por meio de radiografias convencionais em filmes simples ou digitais, o que pode levar a traçados e interpretações cefalométricas imprecisas 6,7. A introdução inicial da imagem 3D na forma de tomografia computadorizada (TC) axial e TC espiral não incluiu aplicações odontológicas ou não médicas devido ao alto custo e altas doses de radiação. No entanto, o surgimento da tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) atenuou essas preocupações, pois os gastos e as doses de radiação foram significativamente menores do que a TC1. A mudança nessa narrativa de imagem galvanizou o uso generalizado da TCFC na Ortodontia para melhorar o diagnóstico e o planejamento terapêutico. A principal vantagem da imagem 3D sobre a técnica convencional de imagem 2D é que a 3D permite ao examinador visualizar estruturas anatômicas sem sobreposições e distorções espaciais (i.e., posição da cabeça do indivíduo). Portanto, é possível um posicionamento muito mais preciso dos pontos anatômicos utilizados para a realização da análise cefalométrica, principalmente nos casos de assimetria facial. Além disso, uma área anatômica muito maior pode ser analisada.
Um dos avanços mais recentes no campo da cefalometria é a implementação do deep learning (LD) para detecção automatizada de pontos 8,9,10,11. Embora os resultados desses estudos sejam promissores, os níveis de acurácia na localização dos pontos de referência ainda não são satisfatórios. Além disso, a maioria desses estudos utiliza conjuntos de pontos relativamente pequenos que são derivados de análises cefalométricas 2D prévias, fornecendo cobertura insuficiente da base do crânio, que é uma estrutura importante para o estudo do crescimento e desenvolvimento craniofacial. Este vídeo demonstrativo apresenta em detalhes uma metodologia para a realização de análise cefalométrica 3D manual de alta precisão com o uso de um conjunto validado de pontos de referência de tecido esquelético 3D cobrindo as áreas da face, base do crânio, mandíbula e dentes para uso em estudos clínicos e de pesquisa envolvendo imagens de TCFC4. Um exemplo de uma análise 3D concluída pode ser visto na 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

A análise cefalométrica craniofacial é uma ferramenta diagnóstica utilizada para a avaliação da relação de vários ossos e tecidos moles na cabeça e na face. A análise cefalométrica tem sido tradicionalmente realizada com o uso de radiografias 2D e conjuntos de pontos de referência e restrita a medidas de tamanho, lineares e angulares e relações 2D. O uso crescente de exames de tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) 3D na área odontológica dita a necessidade da evolução para a análise cefalométrica 3D, que incorpora a forma e uma análise mais realista do desenvolvimento longitudinal nos três planos. Este estudo é uma demonstração da análise cefalométrica 3D com o uso de um conjunto validado de pontos de referência do tecido esquelético em TCFC humana. Instruções detalhadas para a anotação de cada ponto de referência em um volume 3D são fornecidas como parte de um protocolo passo a passo. As medidas geradas e as coordenadas 3D dos pontos de referência podem ser exportadas e usadas tanto para fins clínicos quanto de pesquisa. A introdução da análise cefalométrica 3D em estudos craniofaciais básicos e clínicos levará a futuros avanços no campo do crescimento e desenvolvimento craniofacial.

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 em destaque: Demonstração de anotação de marco cefalométrico tridimensional em tomografias computadorizadas de feixe cônico humano  

Demonstração de Anotação de Marcos Cefalométricos Tridimensionais em Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico Humano

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.

A anotação de uma configuração de ponto de referência 3D validada é descrita em detalhes com o uso de um protocolo passo-a-passo e demonstração em vídeo. Instruções específicas são fornecidas para a anotação de cada ponto de referência no volume 3D, bem como o refinamento de suas posições iniciais com a ajuda das visualizações de seção 2D que correspondem a cada plano do espaço. Seguindo a metodologia detalhada fornecida no protocolo em combinação com as instruções em vídeo, o usuário pode aprender a realizar análises cefalométricas com o uso de exames de TCFC humanos.
A Figura 1 representa as vistas frontal e de três quartos de uma TCFC de cabeça completa de um crânio humano com os pontos de referência 3D anotados incluídos na configuração atual. Todos os pontos de referência descritos são Tipo 1 e Tipo 2. Os pontos de referência do tipo 1 representam pontos claramente reconhecíveis geralmente observados na intersecção de estruturas anatômicas distintas. Os pontos de referência do tipo 2 representam pontos de máxima curvatura no contorno de estruturas anatômicas reconhecíveis12. Nenhum ponto de referência do tipo 3 ou semi-pontos de referência foi incluído nesta análise.
Após a conclusão da anotação dos pontos de referência, existem dois tipos de dados que podem ser exportados e posteriormente analisados pelo usuário: medição cefalométrica e valores de coordenadas 3D. São apresentados os valores das principais medidas cefalométricas necessárias para o diagnóstico e avaliação da má oclusão dentosquelética. Essas medidas fornecem uma avaliação detalhada das relações esqueléticas e dentárias nos três planos do espaço: sagital, vertical e transversal. Os valores das coordenadas 3D (x, y, z) de cada ponto de referência podem ser exportados e usados para o cálculo de ângulos e distâncias lineares. Os valores das mesmas coordenadas podem ser utilizados para a realização de análises morfométricas geométricas multivariadas (AGM). GMA é um método para estudar a forma que pode capturar variáveis de forma morfologicamente diferentes utilizando coordenadas de marcos cartesianos e/ou semi-marcos. Várias técnicas estatísticas podem ser usadas para examinar a forma, sem levar em conta o tamanho, a localização ou a orientação das estruturas examinadas. A morfometria geométrica é atualmente o corpo mais estabelecido da teoria morfométrica para o tratamento de dados baseados em pontos de referência.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65224/65224fig01.jpg"> Figura 1: Vistas frontais e de três quartos de uma tomografia computadorizada de cabeça completa de um crânio humano com os pontos de referência 3D anotados incluídos na configuração atual. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/65224fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Arquivo suplementar 1: Arquivo de configuração incluindo os pontos de referência usados neste protocoloque pode ser carregado diretamente no software para análise. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/AnalysisCFGUser.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>

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

Apresenta-se aqui um protocolo detalhado para a realização de análise cefalométrica tridimensional com o uso de tomografia computadorizada de feixe cônico 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 ...

O objetivo deste projeto é fornecer uma metodologia detalhada para a realização de análise cefalométrica 3D com o uso de um conjunto validado de pontos de referência esqueléticos 3D. Esses pontos de referência cobrem as áreas da base do crânio, face maxilar e mandíbula, e podem ser usados em estudos clínicos e de pesquisa. Há uma curva de aprendizado para aqueles que anotam os marcos pela primeira vez no volume 3D, e muita prática é fortemente recomendada para adquirir mais experiência e consistência antes de aplicar esses marcos em estudos clínicos e de pesquisa.A análise cefalométrica 3D oferece medidas mais precisas em comparação com a análise cefalométrica 2D. Devido à distorção e ampliação das estruturas anatômicas em filmes de raios X convencionais e formatos digitais 2D, a análise cefalométrica 2D pode levar a traçados e interpretações precisas. Além disso, as coordenadas dos pontos de referência 3D podem ser exportadas e utilizadas para a realização de análises geométrico-morfométricas para estudo da forma.O uso da análise de dados de marcos 3D pode ser parte de uma abordagem fenotípica quantitativa aprofundada no caso de deformidades craniofaciais. Além disso, a integração da análise morfométrica com a análise funcional e a informação genética proporcionará novos conhecimentos no caso do desenvolvimento craniofacial em coortes saudáveis e de doenças.

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

Research

JoVE Journal

Medicine

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

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