* Эти авторы внесли равный вклад
Здесь представлен подробный протокол проведения трехмерного цефалометрического анализа с использованием конусно-лучевой компьютерной томографии человека.
Черепно-лицевой цефалометрический анализ является диагностическим инструментом, используемым для оценки взаимосвязи различных костей и мягких тканей в области головы и лица. Цефалометрический анализ традиционно проводился с использованием 2D-рентгенограмм и наборов ориентиров и ограничивался размерными, линейными и угловыми измерениями и 2D-отношениями. Растущее использование 3D-конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ) в стоматологической области диктует необходимость перехода к 3D-цефалометрическому анализу, который включает в себя форму и более реалистичный анализ продольного развития во всех трех плоскостях. Это исследование представляет собой демонстрацию 3D-цефалометрического анализа с использованием проверенного набора ориентиров скелетной ткани на КЛКТ-сканировании человека. Подробная инструкция по аннотации каждого ориентира на 3D-томе предоставляется в рамках пошагового протокола. Сгенерированные измерения и 3D-координаты ориентиров могут быть экспортированы и использованы как в клинических, так и в исследовательских целях. Внедрение 3D-цефалометрического анализа в фундаментальные и клинические черепно-лицевые исследования приведет к будущим достижениям в области черепно-лицевого роста и развития.
Цефалометрический анализ, который исследует стоматологические и скелетные отношения человеческого черепа, является клиническим применением цефалометрии. В дополнение к антропологам, биологам развития, судебным экспертам и черепно-лицевым исследователям, которые изучают эволюцию человека и черепно-лицевое развитие, он используется специалистами в области гигиены полости рта, включая стоматологов, ортодонтов, челюстно-лицевых хирургов, в качестве инструмента планирования лечения. Самыми ранними учреждениями, которые использовали цефалометрический анализ в ортодонтии, были Хофрат в Германии и Бродбент в США в 1931 году 1,2,3. Основная цель анализа состояла в том, чтобы предоставить теоретический и практический ресурс для оценки черепно-лицевых пропорций человека и определения анатомического источника неправильного прикуса1. Это позволило отслеживать характер роста верхней и нижней челюсти, контролировать их реляционное положение в пространстве и наблюдать изменения в мягких тканях и смещение зубов. В результате изменения, вызванные ортодонтическим лечением, могут контролироваться, а скелетные и стоматологические отношения могут быть охарактеризованы для постановки диагноза для планирования лечения. Оценка зубочелюстного комплекса проводилась путем сравнения цефалометрического отслеживания пациента с референсными значениями, которые были репрезентативными для нормальной популяции аналогичного возраста, расы и этнической принадлежности1.
Традиционный метод анализа состоял из двумерного (2D) изображения трехмерных (3D) структур 4,5. Основным недостатком этого метода является искажение и увеличение анатомических структур с помощью обычной рентгеновской визуализации на простой пленке или в цифровом формате, что может привести к неточным цефалометрическим трассировкам и интерпретациям 6,7. Первоначальное внедрение 3D-визуализации в виде аксиальной компьютерной томографии (КТ) и спиральной КТ не включало стоматологические или немедицинские приложения из-за высокой стоимости и высоких доз облучения. Однако появление конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ) смягчило эти опасения, поскольку затраты и дозы облучения были значительно ниже, чем КТ1. Сдвиг в этом повествовании о визуализации стимулировал широкое использование КЛКТ в ортодонтии для улучшения диагностики и планирования лечения. Основное преимущество 3D-визуализации по сравнению с обычным методом 2D-изображения заключается в том, что 3D позволяет исследователю рассматривать анатомические структуры без наложений и пространственных искажений (т.е. положения головы человека). Поэтому возможно гораздо более точное позиционирование анатомических ориентиров, используемых для проведения цефалометрического анализа, особенно в случаях асимметрии лица. Более того, можно проанализировать гораздо большую анатомическую область.
Одним из самых последних достижений в области цефалометрии является внедрение глубокого обучения (DL) для автоматического обнаружения ориентиров 8,9,10,11. Хотя результаты этих исследований являются многообещающими, уровни точности в размещении ориентиров пока не являются удовлетворительными. Более того, в большинстве этих исследований используются относительно небольшие наборы ориентиров, полученные из предыдущих 2D-цефалометрических анализов, что обеспечивает недостаточное покрытие основания черепа, которое является важной структурой для изучения черепно-лицевого роста и развития. В этом демонстрационном видео подробно демонстрируется методология проведения ручного высокоточного 3D-цефалометрического анализа с использованием валидированного набора 3D-ориентиров скелетной ткани, охватывающих области лица, основания черепа, нижней челюсти и зубов, для использования в клинических и научных исследованиях с использованием КЛКТ-визуализации4. Пример выполненного 3D-анализа приведен на рисунке 1.
Этот протокол следует руководящим принципам комитетов по этике исследований на людях Институциональных наблюдательных советов Национальных институтов здравоохранения (NIDCR IRB #16-D-0040) и Университета медицинских наук Роземана. Подробную информацию о программном обеспечении, используемом в этом протоколе, см. в таблице материалов . Одному и тому же протоколу можно следовать с использованием разного программного обеспечения после корректировки в зависимости от их конкретных настроек и технических деталей. Сканы КЛКТ, использованные для создания рисунка, включенного в эту статью, а также видеодемонстрация были анонимизированы до их использования, и от испытуемых было получено информированное согласие, позволяющее использовать их сканы в публикациях, связанных с исследованиями. Оба субъекта были осмотрены в стоматологической клинике NIH, где были получены сканы (система Planmeca ProMax 3D; режим низкой дозы, разрешение 400 мкм) и были согласованы по протоколу, одобренному NIH IRB (NCT02639312).
1. Загрузка сканирования и просмотра КЛКТ в модуле 3DAnalysis
2. Загрузка файла конфигурации ориентира
3. Настройка системы координат
4. Корректировка изображения сканирования КЛКТ
5. Добавление новых ориентиров
6. Аннотирование 3D анатомических ориентиров
7. Определение и конкретные инструкции по аннотации для каждого 3D-ориентира
8. Сохранение сканирования КЛКТ с аннотированными ориентирами
9. Экспорт измерений и/или 3D-координат ориентира
Аннотация валидированной 3D-конфигурации ориентира подробно описана с использованием пошагового протокола и видеодемонстрации. Предусмотрены конкретные инструкции по аннотации каждого ориентира на 3D-объеме, а также уточнению их исходных положений с помощью видов 2D-сечений, соответствующих каждой плоскости пространства. Следуя подробной методике, представленной в протоколе, в сочетании с видеоинструкциями, пользователь может научиться проводить цефалометрический анализ с использованием КЛКТ-сканирования человека.
На рисунке 1 представлены фронтальные и трехчетвертные виды КЛКТ человеческого черепа с аннотированными 3D-ориентирами, включенными в текущую конфигурацию. Все описанные ориентиры относятся к Типу 1 и Типу 2. Ориентиры типа 1 представляют собой четко узнаваемые точки, обычно наблюдаемые на пересечении различных анатомических структур. Ориентиры типа 2 представляют собой точки максимальной кривизны на контуре узнаваемых анатомических структур12. В этот анализ не были включены ни тип 3, ни полуориентиры.
После завершения аннотации ориентиров существует два типа данных, которые могут быть экспортированы и дополнительно проанализированы пользователем: цефалометрические измерения и значения 3D-координат. Приведены значения ключевых цефалометрических измерений, необходимых для диагностики и оценки аномалий прикуса опорно-двигательного аппарата. Эти измерения обеспечивают детальную оценку скелетных и зубных отношений во всех трех плоскостях пространства: сагиттальной, вертикальной и поперечной. Значения 3D-координат (x, y, z) каждого ориентира могут быть экспортированы и использованы для расчета углов и линейных расстояний. Значения одних и тех же координат могут быть использованы для проведения многомерного геометрического морфометрического анализа (ГМС). GMA — это метод изучения формы, который может фиксировать морфологически различные переменные формы с использованием декартовых координат ориентира и/или полуориентира. Несколько статистических методов могут быть использованы для изучения формы, не принимая во внимание размер, расположение или ориентацию исследуемых структур. Геометрическая морфометрия в настоящее время является наиболее устоявшимся разделом морфометрической теории для обработки данных, основанных на ориентирах.
Рисунок 1: Фронтальные и трехчетвертные виды КЛКТ-сканирования человеческого черепа с аннотированными 3D-ориентирами, включенными в текущую конфигурацию. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный файл 1: Конфигурационный файл, включающий ориентиры, используемые в этом протоколе, который может быть непосредственно загружен в программное обеспечение для анализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Медицина и стоматология уже вступили в эру 3D-визуализации. В дисциплинах черепно-лицевой и стоматологической визуализации все чаще используются КЛКТ-сканирование из-за низкого излучения и снижения стоимости обновленных систем по сравнению с традиционными компьютерными томографами, простой калибровки использования персонала, относительно быстрого и легкого сбора данных с минимальным сотрудничеством с пациентом, а также возможности генерировать несколько других диагностических изображений и анализов из одного сканирования. Поэтому клиницистам и исследователям важно знать, как читать, диагностировать и анализировать эти 3D-изображения, а также научиться изучать черепно-лицевой рост и развитие в 3D.
Чтобы помочь клиницистам и исследователям в этой области, мы представляем пошаговый протокол и видеодемонстрацию для проведения 3D-цефалометрического анализа с использованием КЛКТ-сканирования человека. Эти ориентиры были ранее определены и подтверждены в предыдущей публикации, где была подтверждена их точность и повторяемость4. Подробные инструкции по уточнению для каждого ориентира также помогают пользователям правильно аннотировать каждый ориентир. Процесс аннотации ориентиров еще больше упрощается за счет использования предустановленных видов скана, которые соответствуют области, в которой должен быть расположен каждый ориентир. Эта функция значительно экономит время и усилия пользователя. Тем не менее, требуется обучение, и пользователям требуется практика для достижения точной аннотации ориентиров.
Валидированная 3D-конфигурация ориентира, используемая в этом протоколе, обеспечивает достаточное покрытие скелетной ткани лица, верхней челюсти, нижней челюсти и основания черепа. Таким образом, истинная морфология черепно-лицевых структур более точно представлена для оценки размеров, конфигурации и ориентации черепно-лицевого комплекса и составляющих его структур. Ориентиры мягких тканей не включены в этот протокол, но пользователи могут добавлять ориентиры по выбору в предоставленную конфигурацию, как описано в протоколе. Кроме того, по практическим причинам этот протокол не может включать конкретные инструкции для другого программного обеспечения для 3D-анализа, но может быть соответствующим образом адаптирован каждым пользователем.
Помимо диагностической ценности генерируемых стандартных цефалометрических измерений, в основном для клиницистов, свобода, предлагаемая с использованием этого анализа для вычисления углов и линейных расстояний между любыми 3D-ориентирами, позволит создать новые цефалометрические анализы, которые обеспечат более подробные и полные оценки. Тем не менее, наше будущее направление включает в себя установление новых соответствующих нормативных значений, точно так же, как 2D-нормативные значения были созданы в прошлом.
Кроме того, быстрыми темпами развивается применение ГОМС на основе ориентиров в черепно-лицевой клинической и исследовательской области. Исследователи в области эволюционной биологии и биологии развития и антропологии используют этот анализ уже более десяти лет, но недавно были представлены новые клинические приложения в области ортодонтии, зубочелюстной ортопедии и черепно-лицевой хирургии. ГМА также может быть использован как часть количественного фенотипирования в случае врожденных заболеваний с черепно-лицевыми проявлениями, а также для выявления тонких морфологических различий, приписываемых генным мутациям13,14,15,16. Кроме того, интеграция различных количественных подходов путем связывания морфометрических данных с функциональным анализом, а также генетическими данными может дать новые знания о черепно-лицевом развитии как в здоровых, так и в больных группах.
Благодаря недавним достижениям в области вычислений и визуализации, проведение этого типа анализа теперь возможно на персональных компьютерах, при этом уже доступно несколько пакетов программного обеспечения, включая Checkpoint, Geomorph (пакет статистического программного обеспечения R), Amira-Aviso и SlicerMorph. Эти программы могут помочь исследователям в области медицины, которые могут быть незнакомы с многомерным статистическим анализом, проводить GMA с наличием встроенных автоматизированных функций.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Это исследование было поддержано Программой внутренних исследований Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований (NIDCR) Национальных институтов здравоохранения (NIH) и программой повышения квалификации в области ортодонтии и зубочелюстной ортопедии Колледжа стоматологической медицины Университета Роземана.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Invivo6 Dental Software | Anatomage | N/A | 3D Imaging Software (including 3D analysis module) |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеСмотреть дополнительные статьи
This article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены