Name: Three-Dimensional Cephalometric Landmark Annotation Demonstration on Human Cone Beam Computed Tomography Scans (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-09-08T13:20:00
Duration: 1 min 49 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Cephalometric Landmark Annotation Demonstration on Human Cone Beam Computed Tomography Scans at JoVE.com

Denne forskning blev støttet af det intramurale forskningsprogram fra National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) fra National Institutes of Health (NIH) og Advanced Education in Orthodontics and Dentofacial Orthopedics-programmet fra Roseman University College of Dental Medicine.

3D Cephalometric Landmark Annotation Demonstration on Human CBCT Scans

<ol>
	<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. M., Valiathan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=History+of+imaging+in+orthodontics+from+Broadbent+to+cone-beam+computed+tomography.">History of imaging in orthodontics from Broadbent to cone-beam computed tomography.</a> American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 148 (6), 914-921 (2015).</li><li>Liberton, D. K., Verma, P., Contratto, A., Lee, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+validation+of+novel+three-dimensional+craniofacial+landmarks+on+cone-beam+computed+tomography+scans.">Development and validation of novel three-dimensional craniofacial landmarks on cone-beam computed tomography scans.</a> The Journal of Craniofacial Surgery. 30 (7), e611-615 (2019).</li><li>Pittayapat, P., Limchaichana-Bolstad, N., Willems, G., Jacobs, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+cephalometric+analysis+in+orthodontics:+a+systematic+review.">Three-dimensional cephalometric analysis in orthodontics: a systematic review.</a> Orthodontics &amp; Craniofacial Research. 17 (2), 69-91 (2014).</li><li>Lo Giudice, A., 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=The+evolution+of+the+cephalometric+superimposition+techniques+from+the+beginning+to+the+digital+era:+a+brief+descriptive+review.">The evolution of the cephalometric superimposition techniques from the beginning to the digital era: a brief descriptive review.</a> International Journal of Dentistry. 2021, 6677133 (2021).</li><li>Graf, C. C., Dritsas, K., Ghamri, M., Gkantidis, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliability+of+cephalometric+superimposition+for+the+assessment+of+craniofacial+changes:+a+systematic+review.">Reliability of cephalometric superimposition for the assessment of craniofacial changes: a systematic review.</a> European Journal of Orthodontics. 44 (5), 477-490 (2022).</li><li>Dot, G., 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=Automatic+3-dimensional+cephalometric+landmarking+via+deep+learning.">Automatic 3-dimensional cephalometric landmarking via deep learning.</a> Journal of Dental Research. 101 (11), 1380-1387 (2022).</li><li>Kang, S. H., Jeon, K., Kang, S. H., Lee, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+cephalometric+landmark+detection+by+multiple+stage+deep+reinforcement+learning.">3D cephalometric landmark detection by multiple stage deep reinforcement learning.</a> Scientific Reports. 11 (1), 17509 (2021).</li><li>Schwendicke, F., 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=Deep+learning+for+cephalometric+landmark+detection:+systematic+review+and+meta-analysis.">Deep learning for cephalometric landmark detection: systematic review and meta-analysis.</a> Clinical Oral Investigations. 25 (7), 4299-4309 (2021).</li><li>Yun, H. S., Jang, T. J., Lee, S. M., Lee, S. H., Seo, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Learning-based+local-to-global+landmark+annotation+for+automatic+3D+cephalometry.">Learning-based local-to-global landmark annotation for automatic 3D cephalometry.</a> Physics in Medicine and Biology. 65 (8), 085018 (2020).</li><li>Bookstein, F. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Morphometric Tools for Landmark Data: Geometry and Biology. , (1992).</li><li>Almpani, 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=Loeys-Dietz+and+Shprintzen-Goldberg+syndromes:+analysis+of+TGF-&#946;-opathies+with+craniofacial+manifestations+using+an+innovative+multimodality+method.">Loeys-Dietz and Shprintzen-Goldberg syndromes: analysis of TGF-&#946;-opathies with craniofacial manifestations using an innovative multimodality method.</a> Journal of Medical Genetics. 59 (10), 938-946 (2022).</li><li>Liberton, D. 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>

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Medicin og tandpleje er allerede gået ind i 3D-billeddannelsens æra. Inden for disciplinerne kraniofacial og dental billeddannelse anvendes CBCT-scanninger i stigende grad på grund af den lave stråling og de reducerede omkostninger ved de opdaterede systemer sammenlignet med traditionelle CT-maskiner, nem kalibrering af personalebrug, relativt hurtig og nem erhvervelse med minimalt patientsamarbejde samt evnen til at generere flere andre diagnostiske billeder og analyser fra en enkelt scanning. Derfor er det vigtigt for klinikere og forskere at vide, hvordan man læser, diagnosticerer og analyserer disse 3D-billeder, samt lærer at studere kraniofacial vækst og udvikling i 3D.
For at hjælpe klinikere og forskere på dette område præsenterer vi en trinvis protokol og videodemonstration til udførelse af 3D cephalometrisk analyse ved hjælp af humane CBCT-scanninger. Disse landemærker er tidligere blevet defineret og valideret i en tidligere publikation, hvor deres nøjagtighed og repeterbarhed blev bekræftet4. De detaljerede finjusteringsinstruktioner for hvert vartegn hjælper også brugerne med den korrekte annotering af hvert vartegn. Annoteringsprocessen for landemærker forenkles yderligere ved hjælp af forudindstillede visninger af scanningen, der svarer til det område, hvor hvert vartegn skal placeres. Denne funktion sparer betydelig tid og kræfter for brugeren. Ikke desto mindre er der en indlæringskurve involveret, og praksis kræves af brugerne for at opnå nøjagtig milepælsannotering.
Den validerede 3D-landemærkekonfiguration, der anvendes i denne protokol, giver tilstrækkelig dækning af skeletvævet i ansigtet, maxilla, underkæbe og kraniebase. På denne måde er den sande morfologi af de kraniofaciale strukturer mere præcist repræsenteret til evaluering af dimensionerne, konfigurationen og orienteringen af det kraniofaciale kompleks og dets komponentstrukturer. Bløddelsmærker er ikke inkluderet i denne protokol, men brugerne kan tilføje landemærker efter eget valg til den angivne konfiguration som beskrevet i protokollen. Desuden kunne denne protokol af praktiske årsager ikke indeholde specifikke instruktioner til anden 3D-analysesoftware, men kan tilpasses i overensstemmelse hermed af hver bruger.
Bortset fra den diagnostiske værdi af de genererede standard cephalometriske målinger, hovedsageligt for klinikere, vil den frihed, der tilbydes med brugen af denne analyse til at beregne vinkler og lineære afstande mellem eventuelle 3D-landemærker, muliggøre etablering af nye cephalometriske analyser, der vil give mere detaljerede og komplette vurderinger. Ikke desto mindre omfatter vores fremtidige retning etablering af nye respektive normative værdier, på samme måde som 2D normative værdier blev skabt tidligere.
Desuden udvikler anvendelserne af landemærkebaseret GMA inden for kraniofacial klinisk og forskningsområde i et hurtigt tempo. Forskere inden for evolutionær og udviklingsbiologi og antropologi har brugt denne analyse i mere end et årti, men nye kliniske anvendelser er også for nylig blevet præsenteret inden for tandregulering, dentofacial ortopædi og kraniofacial kirurgi. GMA kan også anvendes som en del af en kvantitativ fænotypning i tilfælde af medfødte sygdomme med kraniofaciale manifestationer samt til påvisning af subtile morfologiske forskelle, der tilskrives genmutationer13,14,15,16. Derudover kan integrationen af forskellige kvantitative tilgange ved at koble morfometriske data med funktionel analyse samt genetiske data give ny viden om kraniofacial udvikling i raske såvel som sygdomsgrupper.
På grund af de seneste fremskridt inden for beregning og visualisering er udførelsen af denne type analyse nu mulig på personlige computere, med flere softwarepakker, der allerede er tilgængelige, herunder Checkpoint, Geomorph (en pakke med R-statistisk software), Amira-Avizo og SlicerMorph. Disse programmer kan hjælpe forskere på de medicinske områder, der måske ikke er bekendt med multivariate statistiske analyser til at udføre GMA med tilgængeligheden af indbyggede automatiserede funktioner.

Cephalometrisk analyse, der undersøger tand- og skeletforholdene i den menneskelige kraniet, er den kliniske anvendelse af cephalometri. Ud over antropologer, udviklingsbiologer, retsmedicinske eksperter og kraniofaciale forskere, der studerer menneskelig evolution og kraniofacial udvikling, bruges den af oral sundhedspersonale, herunder tandlæger, ortodontister og mund- og maxillofacial kirurger, som et behandlingsplanlægningsværktøj. De tidligste institutioner, der brugte cephalometrisk analyse i tandregulering, var Hofrath i Tyskland og Broadbent i USA i 1931 1,2,3. Hovedformålet med analysen var at tilvejebringe en teoretisk og praktisk ressource til at evaluere et individs kraniofaciale proportioner og at definere den anatomiske kilde til malokklusion1. Dette gjorde det muligt at spore vækstmønsteret for maxilla og underkæben, deres relationelle positioner i rummet og observere ændringer i blødt væv og tandforskydning. Som følge heraf kunne ændringer forårsaget af tandregulering overvåges, og skelet- og tandforhold kunne karakteriseres for en diagnose, der skulle stilles til behandlingsplanlægning. Evaluering af det dentofacial kompleks blev udført ved at sammenligne en patients cephalometriske sporing med referenceværdier, der var repræsentative for en normal befolkning af samme alder, race og etnicitet1.
Den traditionelle analysemetode bestod af en todimensionel (2D) skildring af tredimensionale (3D) strukturer 4,5. Et stort tilbageslag ved denne teknik er forvrængning og forstørrelse af anatomiske strukturer via konventionel røntgenbilleddannelse på almindelig film eller digitale formater, hvilket kan føre til unøjagtige cephalometriske spor og fortolkninger 6,7. Den oprindelige introduktion af 3D-billeddannelse i form af aksial computertomografi (CT) og spiral CT omfattede ikke dentale eller ikke-medicinske applikationer på grund af høje omkostninger og høje strålingsdoser. Fremkomsten af keglestrålecomputertomografi (CBCT) scanninger mindskede imidlertid disse bekymringer, da udgifter og strålingsdoser var signifikant lavere end CT1. Skiftet i denne billeddannelsesfortælling galvaniserede den udbredte anvendelse af CBCT i tandregulering til forbedring af diagnose og behandlingsplanlægning. Den største fordel ved 3D-billeddannelse i forhold til den konventionelle 2D-billedteknik er, at 3D giver eksaminatoren mulighed for at se anatomiske strukturer uden superimpositioner og rumlige forvrængninger (dvs. individets hovedposition). Derfor er en meget mere præcis positionering af de anatomiske landemærker, der anvendes til ledning af cephalometrisk analyse, mulig, især i tilfælde af ansigtsasymmetri. Desuden kan et meget større anatomisk område analyseres.
Et af de seneste fremskridt inden for cephalometri er implementeringen af dyb læring (DL) til automatiseret landemærkedetektion 8,9,10,11. Selvom resultaterne af disse undersøgelser er lovende, er nøjagtighedsniveauerne i placeringen af landemærkerne endnu ikke tilfredsstillende. Desuden bruger de fleste af disse undersøgelser relativt små skelsættende sæt, der stammer fra tidligere 2D cephalometriske analyser, hvilket giver utilstrækkelig dækning af kraniebasen, hvilket er en vigtig struktur til undersøgelse af kraniofacial vækst og udvikling. Denne demonstrationsvideo viser detaljeret en metode til gennemførelse af manuel 3D-cephalometrisk analyse med høj nøjagtighed ved hjælp af et valideret sæt 3D-skeletvævsmærker, der dækker områderne i ansigtet, kraniebasen, underkæben og tænderne til brug i kliniske og forskningsundersøgelser, der involverer CBCT-billeddannelse4. Et eksempel på en gennemført 3D-analyse kan ses i figur 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

Kraniofacial cephalometrisk analyse er et diagnostisk værktøj, der anvendes til vurdering af forholdet mellem forskellige knogler og blødt væv i hoved og ansigt. Cephalometrisk analyse er traditionelt blevet udført ved brug af 2D-røntgenbilleder og landemærkesæt og begrænset til størrelse, lineære og vinkelmålinger og 2D-relationer. Den stigende brug af 3D-keglestrålecomputertomografi (CBCT) scanninger inden for tandområdet dikterer behovet for udviklingen til 3D cephalometrisk analyse, som inkorporerer form og en mere realistisk analyse af langsgående udvikling i alle tre planer. Denne undersøgelse er en demonstration af 3D cephalometrisk analyse med brug af et valideret sæt skeletvævsmærker på humane CBCT-scanninger. Detaljerede instruktioner til annotering af hvert vartegn på et 3D-volumen leveres som en del af en trinvis protokol. De genererede målinger og 3D-koordinater for landemærkerne kan eksporteres og bruges både til kliniske og forskningsmæssige formål. Indførelsen af 3D cephalometrisk analyse i grundlæggende og kliniske kraniofaciale undersøgelser vil føre til fremtidige fremskridt inden for kraniofacial vækst og udvikling.

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

Annotationen af en valideret 3D-landemærkekonfiguration beskrives detaljeret ved hjælp af en trinvis protokol og videodemonstration. Der gives specifikke instruktioner til annotering af hvert vartegn på 3D-volumenet samt forfining af deres oprindelige positioner ved hjælp af 2D-sektionsvisningerne, der svarer til hvert rumplan. Ved at følge den detaljerede metode, der er angivet i protokollen i kombination med videoinstruktionerne, kan brugeren lære at udføre cephalometrisk analyse ved brug af humane CBCT-scanninger.
Figur 1 repræsenterer frontale og trekvarte visninger af en CBCT-scanning med fuldt hoved af et menneskekranium med de kommenterede 3D-landemærker, der er inkluderet i den aktuelle konfiguration. Alle de beskrevne landemærker er Type 1 og Type 2. Type 1 landemærker repræsenterer klart genkendelige punkter, der normalt observeres ved skæringspunktet mellem forskellige anatomiske strukturer. Type 2 landemærker repræsenterer punkter med maksimal krumning på konturen af genkendelige anatomiske strukturer12. Ingen type 3 eller semi-landemærker blev inkluderet i denne analyse.
Efter afslutningen af annotationen af landemærkerne er der to typer data, der kan eksporteres og analyseres yderligere af brugeren: cephalometrisk måling og 3D-koordinatværdier. Værdierne for vigtige cephalometriske målinger, der kræves til diagnosticering og vurdering af dentoskeletal malokklusion, oplyses. Disse målinger giver en detaljeret vurdering af skelet- og tandforholdene i alle tre rumplaner: sagittal, lodret og tværgående. 3D-koordinatværdierne (x, y, z) for hvert vartegn kan eksporteres og bruges til beregning af vinkler og lineære afstande. Værdierne for de samme koordinater kan anvendes til ledning af multivariat geometrisk morfometrisk analyse (GMA). GMA er en metode til at studere form, der kan fange morfologisk forskellige formvariabler ved hjælp af kartesiske landemærker og / eller semi-landemærkekoordinater. Flere statistiske teknikker kan bruges til at undersøge form uden at tage hensyn til størrelsen, placeringen eller orienteringen af de undersøgte strukturer. Geometrisk morfometri er i øjeblikket den mest etablerede krop af morfometrisk teori til håndtering af vartegnbaserede data.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65224/65224fig01.jpg"> Figur 1: Frontale og trekvarte visninger af en CBCT-scanning med fuldt hoved af et menneskekranium med de kommenterede 3D-landemærker, der er inkluderet i den aktuelle konfiguration. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/65224fig01large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
Supplerende fil 1: Konfigurationsfil inklusive de landemærker, der anvendes i denne protokolsom kan uploades direkte til softwaren til analyse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/AnalysisCFGUser.zip" target="_blank">Klik her for at downloade denne fil.</a>

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

Three-Dimensional Cephalometric Landmark Annotation Demonstration on Human Cone Beam Computed Tomography Scans (Video) | JoVE 

Præsenteret her er en detaljeret protokol til ledning af tredimensionel cephalometrisk analyse ved brug af humane keglestrålecomputertomografiscanninger.

Tredimensionel cephalometrisk landemærkeannotationsdemonstration på menneskelige keglestråle-computertomografiscanninger

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

Formålet med dette projekt er at tilvejebringe en detaljeret metode til gennemførelse af 3D cephalometrisk analyse ved hjælp af et valideret sæt af 3D skelet landemærker. Disse landemærker dækker områderne af kraniebasen, ansigtet maxilla og underkæben og kan bruges i kliniske såvel som forskningsundersøgelser. Der er en indlæringskurve for dem, der kommenterer landemærkerne for første gang på 3D-volumenet, og det anbefales kraftigt at øve sig på at erhverve mere erfaring og konsistens, før de anvender disse vartegn på kliniske og forskningsundersøgelser.Den cephalometriske 3D-analyse giver mere nøjagtige målinger sammenlignet med 2D cephalometrisk analyse. På grund af forvrængningen og forstørrelsen af de anatomiske strukturer i konventionelle røntgenfilm og 2D digitale formater kan 2D cephalometrisk analyse føre til nøjagtige sporinger og fortolkninger. Desuden kan koordinaterne for 3D-landemærkerne eksporteres og bruges til ledning af geometrisk-morfometrisk analyse for at studere form.Brugen af 3D-landemærkedataanalysen kan være en del af en dybdegående kvantitativ fænotypisk tilgang i tilfælde af kraniofaciale deformiteter. Derudover vil integrationen af morfometrisk analyse med funktionel analyse og genetisk information give ny viden i tilfælde af kraniofacial udvikling i raske såvel som sygdomskohorter.