عرض توضيحي ثلاثي الأبعاد للمعالم الرأسية على التصوير المقطعي المحوسب للشعاع المخروطي البشري
Summary
يظهر هنا بروتوكول مفصل لإجراء تحليل قياس الرأس ثلاثي الأبعاد باستخدام التصوير المقطعي المحوسب بالحزمة المخروطية البشرية.
Abstract
تحليل قياس الرأس القحفي الوجهي هو أداة تشخيصية تستخدم لتقييم العلاقة بين مختلف العظام والأنسجة الرخوة في الرأس والوجه. تم إجراء تحليل قياس الرأس تقليديا باستخدام الصور الشعاعية ثنائية الأبعاد ومجموعات المعالم ويقتصر على الحجم والقياسات الخطية والزاوية والعلاقات ثنائية الأبعاد. إن الاستخدام المتزايد لمسح التصوير المقطعي المحوسب بالشعاع المخروطي ثلاثي الأبعاد (CBCT) في مجال طب الأسنان يملي الحاجة إلى التطور إلى تحليل قياس الرأس ثلاثي الأبعاد ، والذي يتضمن الشكل وتحليلا أكثر واقعية للتطور الطولي في جميع المستويات الثلاثة. هذه الدراسة هي عرض لتحليل قياس الرأس 3D مع استخدام مجموعة تم التحقق من صحتها من معالم الأنسجة الهيكلية في فحوصات CBCT البشرية. يتم توفير تعليمات مفصلة للتعليق التوضيحي لكل معلم على وحدة تخزين 3D كجزء من بروتوكول خطوة بخطوة. يمكن تصدير القياسات التي تم إنشاؤها وإحداثيات 3D للمعالم واستخدامها للأغراض السريرية والبحثية. إدخال تحليل قياس الرأس 3D في الدراسات القحفية الوجهية الأساسية والسريرية سيؤدي إلى التطورات المستقبلية في مجال النمو والتطور القحفي الوجهي.
Introduction
تحليل قياس الرأس ، الذي يفحص علاقات الأسنان والهيكل العظمي للجمجمة البشرية ، هو التطبيق السريري لقياس الرأس. بالإضافة إلى علماء الأنثروبولوجيا وعلماء الأحياء التنموية وخبراء الطب الشرعي والباحثين القحفيين الوجهيين الذين يدرسون التطور البشري والتطور القحفي الوجهي ، يتم استخدامه من قبل المتخصصين في صحة الفم ، بما في ذلك أطباء الأسنان وأخصائيي تقويم الأسنان وجراحي الفم والوجه والفكين ، كأداة لتخطيط العلاج. كانت أقدم المؤسسات التي استخدمت تحليل قياس الرأس في تقويم الأسنان هي Hofrath في ألمانيا و Broadbent في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 19311،2،3. كان الهدف الأساسي من التحليل هو توفير مورد نظري وعملي لتقييم النسب القحفية الوجهية للفرد وتحديد المصدر التشريحي لسوء الإطباق1. سمح ذلك بتتبع نمط نمو الفك العلوي والفك السفلي ، ومراقبة مواقعهما العلائقية في الفضاء ، وملاحظة التغيرات في الأنسجة الرخوة وإزاحة الأسنان. نتيجة لذلك ، يمكن مراقبة التغييرات الناتجة عن علاج تقويم الأسنان ، ويمكن توصيف العلاقات بين الهيكل العظمي والأسنان لإجراء تشخيص لتخطيط العلاج. تم تقييم مجمع الوجه والأسنان من خلال مقارنة تتبع قياس الرأس للمريض بالقيم المرجعية التي كانت ممثلة للسكان الطبيعيين من نفس العمر والعرقوالعرق 1.
تتكون الطريقة التقليدية للتحليل من تصوير ثنائي الأبعاد (2D) للهياكل ثلاثية الأبعاد (3D) 4,5. تتمثل الانتكاسة الرئيسية لهذه التقنية في تشويه وتكبير الهياكل التشريحية عبر التصوير التقليدي بالأشعة السينية على فيلم عادي أو تنسيقات رقمية ، مما قد يؤدي إلى تتبع وتفسيرات غير دقيقة للسيفالومترية 6,7. لم يشمل الإدخال الأولي للتصوير ثلاثي الأبعاد 3D في شكل التصوير المقطعي المحوسب المحوري (CT) والتصوير المقطعي المحوسب الحلزوني تطبيقات طب الأسنان أو غير الطبية بسبب التكلفة العالية وجرعات الإشعاع العالية. ومع ذلك ، فإن ظهور التصوير المقطعي المحوسب بالشعاع المخروطي (CBCT) خفف من هذه المخاوف ، حيث كانت النفقات وجرعات الإشعاع أقل بكثير من CT1. حفز التحول في سرد التصوير هذا الاستخدام الواسع النطاق ل CBCT في تقويم الأسنان لتحسين التشخيص وتخطيط العلاج. الميزة الرئيسية للتصوير ثلاثي الأبعاد على تقنية الصورة 2D التقليدية هي أن 3D يسمح للفاحص بمشاهدة الهياكل التشريحية دون تراكبات وتشوهات مكانية (أي وضع رأس الفرد). لذلك ، من الممكن تحديد موضع أكثر دقة للمعالم التشريحية المستخدمة لإجراء تحليل قياس الرأس ، خاصة في حالات عدم تناسق الوجه. علاوة على ذلك ، يمكن تحليل منطقة تشريحية أكبر بكثير.
أحد أحدث التطورات في مجال قياس الرأس هو تنفيذ التعلم العميق (DL) للكشف الآلي عن المعالم8،9،10،11. على الرغم من أن نتائج هذه الدراسات واعدة ، إلا أن مستويات الدقة في وضع المعالم ليست مرضية بعد. علاوة على ذلك ، تستخدم معظم هذه الدراسات مجموعات معلمية صغيرة نسبيا مشتقة من تحليلات قياس الرأس 2D السابقة ، مما يوفر تغطية غير كافية لقاعدة الجمجمة ، وهي بنية مهمة لدراسة النمو والتطور القحفي الوجهي. يعرض هذا الفيديو التوضيحي بالتفصيل منهجية لإجراء تحليل رأسي يدوي ثلاثي الأبعاد عالي الدقة باستخدام مجموعة تم التحقق من صحتها من معالم الأنسجة الهيكلية ثلاثية الأبعاد التي تغطي مناطق الوجه وقاعدة الجمجمة والفك السفلي والأسنان لاستخدامها في الدراسات السريرية والبحثية التي تتضمن تصوير CBCT4. يمكن رؤية مثال على تحليل 3D المكتمل في الشكل 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد دخل الطب وطب الأسنان بالفعل عصر التصوير 3D. في تخصصات التصوير القحفي الوجهي وتصوير الأسنان ، يتم استخدام فحوصات CBCT بشكل متزايد ، بسبب انخفاض الإشعاع وانخفاض تكلفة الأنظمة المحدثة مقارنة بأجهزة التصوير المقطعي المحوسب التقليدية ، ومعايرة استخدام الموظفين بسهولة ، والحصول السريع والسهل نسبيا مع الحد الأدنى من تعاون المريض ، فضلا عن القدرة على توليد صور وتحليلات تشخيصية أخرى متعددة من مسح واحد. لذلك ، من الضروري للأطباء والباحثين معرفة كيفية قراءة وتشخيص وتحليل هذه الصور ثلاثية الأبعاد ، وكذلك تعلم كيفية دراسة النمو والتطور القحفي الوجهي في 3D.
لمساعدة الأطباء والباحثين في هذا المجال ، نقدم بروتوكولا خطوة بخطوة وعرضا توضيحيا بالفيديو لإجراء تحليل قياس الرأس 3D باستخدام فحوصات CBCT البشرية. تم تحديد هذه المعالم مسبقا والتحقق من صحتها في منشور سابق ، حيث تم تأكيد دقتها وتكرارها4. تساعد تعليمات التحسين التفصيلية لكل معلم المستخدمين أيضا في التعليق التوضيحي الصحيح لكل معلم. يتم تبسيط عملية التعليقات التوضيحية للمعالم بشكل أكبر باستخدام طرق العرض المحددة مسبقا للفحص والتي تتوافق مع المنطقة التي يجب وضع كل معلم فيها. توفر هذه الوظيفة وقتا وجهدا كبيرين للمستخدم. ومع ذلك ، هناك منحنى تعليمي متضمن ، والممارسة مطلوبة من قبل المستخدمين لتحقيق تعليق توضيحي دقيق للمعلم.
يوفر التكوين التاريخي 3D الذي تم التحقق من صحته المستخدم في هذا البروتوكول تغطية كافية للأنسجة الهيكلية للوجه والفك العلوي والفك السفلي وقاعدة الجمجمة. وبهذه الطريقة ، يتم تمثيل التشكل الحقيقي للهياكل القحفية الوجهية بشكل أكثر دقة لتقييم أبعاد وتكوين واتجاه المجمع القحفي الوجهي وهياكله المكونة. لا يتم تضمين معالم الأنسجة الرخوة في هذا البروتوكول ، ولكن يمكن للمستخدمين إضافة معالم من اختيارهم إلى التكوين المقدم ، كما هو موضح في البروتوكول. بالإضافة إلى ذلك ، لأسباب عملية ، لا يمكن أن يتضمن هذا البروتوكول تعليمات محددة لبرامج تحليل 3D الأخرى ، ولكن يمكن تكييفها وفقا لذلك من قبل كل مستخدم.
بصرف النظر عن القيمة التشخيصية لقياسات قياس الرأس القياسية التي تم إنشاؤها ، خاصة للأطباء ، فإن الحرية المقدمة مع استخدام هذا التحليل لحساب الزوايا والمسافات الخطية بين أي معالم 3D ستسمح بإنشاء تحليلات جديدة لقياس الرأس من شأنها أن توفر تقييمات أكثر تفصيلا واكتمالا. ومع ذلك ، فإن اتجاهنا المستقبلي يتضمن إنشاء قيم معيارية جديدة ذات صلة ، بنفس الطريقة التي تم بها إنشاء القيم المعيارية 2D في الماضي.
علاوة على ذلك ، فإن تطبيقات GMA القائمة على المعالم البارزة في المجال السريري والبحثي القحفي الوجهي تتطور بوتيرة سريعة. يستخدم الباحثون في علم الأحياء التطوري والتنموي والأنثروبولوجيا هذا التحليل لأكثر من عقد من الزمان ، ولكن تم تقديم تطبيقات سريرية جديدة مؤخرا في مجالات تقويم الأسنان وجراحة عظام الوجه والأسنان وجراحة الوجه والقحف. يمكن أيضا استخدام GMA كجزء من التنميط الظاهري الكمي في حالة الأمراض الخلقية ذات المظاهر القحفية الوجهية ، وكذلك للكشف عن الاختلافات المورفولوجية الدقيقة المنسوبة إلى طفرات الجينات13،14،15،16. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر تكامل الأساليب الكمية المختلفة من خلال ربط البيانات المورفومترية بالتحليل الوظيفي وكذلك البيانات الجينية معرفة جديدة فيما يتعلق بالتطور القحفي الوجهي في المجموعات الصحية وكذلك المرضية.
نظرا للتطورات الحديثة في الحساب والتصور ، أصبح إجراء هذا النوع من التحليل ممكنا الآن على أجهزة الكمبيوتر الشخصية ، مع توفر العديد من حزم البرامج بالفعل ، بما في ذلك Checkpoint و Geomorph (حزمة من البرامج الإحصائية R) و Amira-Avizo و SlicerMorph. يمكن أن تساعد هذه البرامج الباحثين في المجالات الطبية التي قد لا تكون على دراية بالتحليلات الإحصائية متعددة المتغيرات لإجراء GMA مع توفر الوظائف الآلية المدمجة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث من قبل برنامج الأبحاث الداخلية التابع للمعهد الوطني لأبحاث الأسنان والقحف الوجهي (NIDCR) التابع للمعاهد الوطنية للصحة (NIH) ، وبرنامج التعليم المتقدم في تقويم الأسنان وجراحة عظام الوجه والأسنان في كلية طب الأسنان بجامعة روزمان.
Materials
| Invivo6 Dental Software | Anatomage | N/A | 3D Imaging Software (including 3D analysis module) |
References
- Proffit, W. R., Fields, H. W., Larson, B., Sarver, D. M. Contemporary Orthodontics – E-Book. Elsevier Health Sciences. , (2018).
- Broadbent, B. H. A new x-ray technique and its application to orthodontia. The Angle Orthodontist. 1 (2), 45-66 (1931).
- Hans, M. G., Palomo, J. M., Valiathan, M. History of imaging in orthodontics from Broadbent to cone-beam computed tomography. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 148 (6), 914-921 (2015).
- Liberton, D. K., Verma, P., Contratto, A., Lee, J. S. Development and validation of novel three-dimensional craniofacial landmarks on cone-beam computed tomography scans. The Journal of Craniofacial Surgery. 30 (7), e611-615 (2019).
- Pittayapat, P., Limchaichana-Bolstad, N., Willems, G., Jacobs, R. Three-dimensional cephalometric analysis in orthodontics: a systematic review. Orthodontics & Craniofacial Research. 17 (2), 69-91 (2014).
- Lo Giudice, A., et al. The evolution of the cephalometric superimposition techniques from the beginning to the digital era: a brief descriptive review. International Journal of Dentistry. 2021, 6677133 (2021).
- Graf, C. C., Dritsas, K., Ghamri, M., Gkantidis, N. Reliability of cephalometric superimposition for the assessment of craniofacial changes: a systematic review. European Journal of Orthodontics. 44 (5), 477-490 (2022).
- Dot, G., et al. Automatic 3-dimensional cephalometric landmarking via deep learning. Journal of Dental Research. 101 (11), 1380-1387 (2022).
- Kang, S. H., Jeon, K., Kang, S. H., Lee, S. H. 3D cephalometric landmark detection by multiple stage deep reinforcement learning. Scientific Reports. 11 (1), 17509 (2021).
- Schwendicke, F., et al. Deep learning for cephalometric landmark detection: systematic review and meta-analysis. Clinical Oral Investigations. 25 (7), 4299-4309 (2021).
- Yun, H. S., Jang, T. J., Lee, S. M., Lee, S. H., Seo, J. K. Learning-based local-to-global landmark annotation for automatic 3D cephalometry. Physics in Medicine and Biology. 65 (8), 085018 (2020).
- Bookstein, F. L. . Morphometric Tools for Landmark Data: Geometry and Biology. , (1992).
- Almpani, K., et al. Loeys-Dietz and Shprintzen-Goldberg syndromes: analysis of TGF-β-opathies with craniofacial manifestations using an innovative multimodality method. Journal of Medical Genetics. 59 (10), 938-946 (2022).
- Liberton, D. K., et al. Craniofacial analysis may indicate co-occurrence of skeletal malocclusions and associated risks in development of cleft lip and palate. Journal of Developmental Biology. 8 (1), 2 (2020).
- Whitman, M. C., et al. TUBB3 Arg262His causes a recognizable syndrome including CFEOM3, facial palsy, joint contractures, and early-onset peripheral neuropathy. Human Genetics. 140 (12), 1709-1731 (2021).
- Kidwai, F. K., et al. Quantitative craniofacial analysis and generation of human induced pluripotent stem cells for Muenke syndrome: A case report. Journal of Developmental Biology. 9 (4), 39 (2021).
