Name: 人体锥形束计算机断层扫描三维头影地标标注演示 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-09-08T13:20:00.000+00:00
Duration: 10 min 23 s
Description: 学习使用人体锥形束计算机断层扫描进行三维头影测量分析，准确标注颅底、上颌和下颌骨骼标志点。该方法利用Invivo6软件提高临床和研究的测量精度，支持几何形态测量分析。

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本研究由美国国立卫生研究院（NIH）下属的国家牙科与颅面研究所（NIDCR）院内研究计划以及罗斯曼大学牙科学院正畸学与牙颌面正畸学高级教育项目资助。

3D Cephalometric Landmark Annotation Demonstration on Human CBCT Scans

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</ol>

作者声明无利益冲突。

医学和牙科已进入三维成像时代。在颅面及牙科影像学领域，由于锥形束CT（CBCT）扫描仪相比传统CT设备具有辐射剂量低、更新系统成本较低、操作人员易于校准、扫描获取相对快速简便且对患者配合度要求极低等优势，同时还能通过单次扫描生成多种其他诊断图像和分析结果，因此其应用日益广泛。因此，临床医生和研究人员必须掌握如何阅读、诊断和分析这些三维图像，并学习如何开展颅面生长发育的三维研究。
为了协助该领域的临床医生和研究人员，我们提供了一套逐步操作指南及视频演示，介绍如何利用人类锥形束CT（CBCT）扫描进行三维头影测量分析。这些标志点此前已在一篇已发表的研究中被明确定义并经过验证，其准确性和可重复性得到了证实4。每个标志点均配有详细的精确定位说明，以帮助用户正确标注。通过使用预设的扫描视图（这些视图对应各标志点应定位的解剖区域），标志点标注过程进一步简化。该功能可显著节省用户的时间和操作负担。然而，该方法仍存在一定的学习曲线，用户需要经过练习才能实现准确的标志点标注。
本方案中采用的已验证三维标志点构型，能够充分覆盖面部、上颌骨、下颌骨及颅底的骨骼组织。通过这种方式，可更准确地呈现颅面结构的真实形态，从而便于评估颅面复合体及其各组成部分的尺寸、构型和空间方位。本方案未包含软组织标志点，但用户可根据需要，按照方案所述方法将自选的标志点添加至所提供的构型中。此外，由于实际原因，本方案未提供其他三维分析软件的具体操作指导，但用户可据此自行调整适配。
除了生成的标准头影测量数据对临床医生具有诊断价值外，该分析方法在计算任意三维标志点之间的角度和线性距离方面提供了更大的灵活性，有助于建立新的头影测量分析方法，从而实现更详尽和全面的评估。然而，我们未来的研究方向还包括建立相应的新的正常值标准，正如过去建立二维正常值标准那样。
此外，基于标志点的几何形态测量分析（GMA）在颅面临床与研究领域的应用正在迅速发展。进化生物学、发育生物学和人类学领域的研究人员已使用该分析方法超过十年，而近年来在正畸学、牙颌面矫形学以及颅面外科领域也相继提出了新的临床应用。GMA 还可用于具有颅面表型表现的先天性疾病中的定量表型分析，也可用于检测由基因突变引起的细微形态差异13,14,15,16。此外，通过将形态测量数据与功能分析及遗传数据相结合，整合多种定量方法，可为健康人群以及疾病人群的颅面发育提供新的认识。
由于计算和可视化技术的最新进展，现在在个人计算机上进行此类分析已成为可能，已有多种软件包可供使用，包括 Checkpoint、Geomorph（R 统计软件的一个程序包）、Amira-Avizo 和 SlicerMorph。这些程序可帮助医学领域中可能不熟悉多变量统计分析的研究人员，利用内置的自动化功能开展几何形态测量分析（GMA）。

头影测量分析用于研究人类颅骨的牙齿与骨骼关系，是头影测量学在临床上的应用。除了研究人类进化和颅面发育的人类学家、发育生物学家、法医专家及颅面研究人员外，口腔健康专业人员（包括牙医、正畸医生以及口腔颌面外科医生）也将其作为治疗规划的工具。最早将头影测量分析应用于正畸学的机构为1931年德国的Hofrath和美国的Broadbent1,2,3。该分析的主要目的是提供一种理论与实践资源，以评估个体的颅面比例，并明确错𬌗畸形的解剖学成因1。这使得上颌骨与下颌骨的生长模式得以追踪，其在空间中的相对位置得以监测，同时可观察软组织变化及牙齿移位情况。因此，可以监测正畸治疗所引起的变化，并对骨骼与牙齿关系进行表征，从而为诊断和治疗计划制定提供依据。对牙颌面复合体的评估，通常通过将患者的头影测量描记图与代表同龄、同种族及同族裔正常人群的参考值进行比较来完成1。
传统的分析方法包括对三维（3D）结构进行二维（2D）描绘4,5该技术的主要缺点是解剖结构的变形和放大 通过 传统的X线成像采用普通胶片或数字格式，可能导致头影测量描记和解释不准确6,7最初，轴向计算机断层扫描（CT）和螺旋CT引入三维成像时，由于成本高昂且辐射剂量较大，未涵盖牙科或非医学领域的应用。然而，锥形束计算机断层扫描（CBCT）的出现缓解了这些问题，因其费用和辐射剂量均显著低于CT。1这一影像学叙事的转变推动了锥形束CT（CBCT）在正畸学中的广泛应用，从而显著提升了诊断和治疗计划的准确性。相较于传统的二维成像技术，三维成像的主要优势在于能够使检查者观察到无结构重叠及空间失真的解剖结构（即不受个体头位影响）。因此，可用于头影测量分析的解剖标志点定位更加精确，尤其适用于面部不对称病例。此外，可分析的解剖区域也显著扩大。
头影测量领域最近的一项重要进展是采用深度学习（DL）技术实现自动标志点检测8,9,10,11。尽管这些研究的结果令人鼓舞，但标志点定位的准确性仍未能达到令人满意的水平。此外，大多数研究使用的标志点集合相对较少，且源自以往的二维头影测量分析，对颅底区域的覆盖不足；而颅底是颅面生长发育研究中的一个重要结构。本演示视频详细展示了一种手动进行高精度三维头影测量分析的方法，该方法采用一组经过验证的三维骨骼组织标志点，涵盖面部、颅底、下颌骨及牙齿区域，适用于涉及锥形束CT（CBCT）成像的临床与科研研究4。完成的三维分析示例见图1。

<table><tbody><tr><td>Invivo6 牙科软件</td><td>Anatomage</td><td>N/A</td><td>三维成像软件（包含三维分析模块）</td></tr></tbody></table>

人类锥形束计算机断层扫描三维头影测量标志点标注示范

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

颅面头影测量分析是一种用于评估头面部各种骨骼与软组织之间关系的诊断工具。传统的头影测量分析依赖二维放射影像和标志点集合，局限于尺寸、线性与角度测量以及二维关系的分析。随着锥形束计算机断层扫描（CBCT）在牙科领域的广泛应用，头影测量分析亟需向三维方向发展，以纳入形态信息，并在三个平面上实现对纵向发育更为真实的分析。本研究展示了在人体CBCT扫描图像上应用一组经过验证的骨骼组织标志点进行三维头影测量分析的方法。文中提供了在三维容积图像上标注每个标志点的详细操作步骤。所获得的测量数据及标志点的三维坐标可导出，用于临床和科研目的。三维头影测量分析在基础与临床颅面研究中的引入，将推动颅面生长与发育领域未来的进步。

本文详细描述了经过验证的三维标志点构型的标注方法，并通过分步操作指南和视频演示进行说明。针对在三维容积数据上标注每个标志点的具体操作提供了详细指导，并借助对应于各个空间平面的二维切面视图，对标志点的初始位置进行精确优化。通过结合本操作指南中提供的详细方法与视频说明，使用者可学习如何利用人体锥形束CT（CBCT）扫描图像进行头影测量分析。
图1展示了一个人类头骨的全头锥形束CT（CBCT）扫描的正面和三个四分之三视角图像，其中包含当前配置中标注的三维解剖标志点。所有描述的标志点均为I型和II型。I型标志点代表清晰可辨的点，通常位于不同解剖结构的交界处。II型标志点代表可识别解剖结构轮廓上曲率最大的点12。本分析中未包含III型标志点或半标志点。
完成标志点标注后，用户可导出并进一步分析两类数据：头影测量值和三维坐标值。系统提供诊断和评估牙颌面畸形所需的关键头影测量数值。这些测量值可在三维空间平面（矢状面、垂直面和横向面）对骨骼与牙齿关系进行详细评估。每个标志点的三维坐标值（x、y、z）可被导出，用于计算角度和线性距离。相同的坐标值也可用于进行多元几何形态测量分析（GMA）。几何形态测量分析是一种研究形态的方法，可通过笛卡尔标志点和/或半标志点坐标捕捉具有形态差异的形状变量。多种统计技术可用于分析形态，同时排除被测结构的大小、位置或方向的影响。目前，几何形态测量学是处理基于标志点数据最成熟的形态测量理论体系。
<img alt="3D 颅骨成像分析；用于研究的侧位和正位视图，标注了解剖标志。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65224/65224fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 1"> 
图 1：当前配置中包含标注的 3D 标志点的人类颅骨完整头部锥形束 CT（CBCT）扫描的正位和三维斜位视图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/65224fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
补充文件 1：包含本实验方案所用标记点的配置文件，可直接上传至软件进行分析。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/AnalysisCFGUser.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

本文介绍了一种利用人类锥形束计算机断层扫描影像进行三维头影测量分析的详细操作方案。

颅面头影测量分析是一种诊断工具，用于评估头部各种骨骼与软组织之间的相互关系。

本项目旨在提供一种详细的方法，用于利用一组经过验证的三维骨骼标志点进行三维头影测量分析。这些标志点涵盖了颅底、面部上颌和下颌区域，可用于临床及科研研究。对于初次在三维容积图像上标注这些标志点的操作者而言，存在一定的学习曲线，强烈建议进行大量练习，以在将这些标志点应用于临床和科研研究之前获得更丰富的经验与一致性。与二维头影测量分析相比，三维头影测量分析能够提供更精确的测量结果。由于传统X光片和二维数字格式中解剖结构存在失真和放大现象，二维头影测量分析可能导致描记和解释不准确。此外，三维标志点的坐标可被导出并用于进行几何形态测量分析，以研究形态特征。在颅面畸形的研究中，三维标志点数据分析可作为深入的定量表型分析方法的一部分。同时，将形态测量分析与功能分析及遗传信息相结合，将为健康人群以及疾病群体的颅面发育研究提供新的认知。首先，打开 Invivo6 软件，点击“从本设备浏览文件”，选择要分析的扫描文件，然后点击打开。进入 3D 分析模块，点击保存信息的软盘图标。随后选择“加载配置”，并浏览以找到配置文件。单击重新定向图标。在打开的窗口中，选择“通过选取标志点”选项。此功能允许用户以相同的方式对所有扫描进行定向。本方案选择鼻根点作为原始标志点。然后利用标志点进行三点定义，包括右侧眶点、右侧耳点和左侧耳点，并利用鼻根点和贝叶点（bayesian）定义前后轴及正中矢状面。从屏幕左侧菜单中调整亮度和对比度，以降低锥形束CT扫描图像的噪声。通过按住控制键并同时左键单击，然后在屏幕上滑动，以实现放大和缩小。通过按住 Shift 键并同时左键单击，然后在屏幕上滑动，以整体移动图像。从设置菜单中启用裁剪功能，可在空间的所有平面上创建截面视图。在设置菜单中添加新标记点时，点击“landmarks”以显示可用的标记点选项列表，然后选择所需的标记点。要为标记点设置默认视图，请选择追踪任务，点击“edit”，然后选择标记点。根据需要设置视图，然后点击使用当前视图设置。重复这些步骤，以更改任何其他解剖标志点的默认视图。要标注三维解剖标志点，请从菜单顶部选择“创建追踪”并点击开始。根据解剖标志的定义，通过在三维容积数据上直接左键单击相应位置来开始标注三维解剖标志点。利用屏幕右侧的断层视图调整标志点的位置。如果断层视图不可见，可从布局选择菜单中选择“slice locator”以显示。为确认标志点的位置，请单击“停止”并选择所需的视图以查看该标志点，然后继续放置其余的标志点。若需在3D容积图像中调整标志点位置，请在追踪任务菜单底部单击“停止”以暂停分析，然后单击要移动的标志点并将其拖动至新的目标位置。若要重新标注某个标志点，请双击该标志点旁已勾选的方框，然后在弹出的后续问题中回答“是”。首先标注预选的原点解剖标志。枕骨大孔前曲度前缘的中点称为 bayesian。标注 bayesian 时，在轴向断面上找到枕骨大孔断面曲度最深的末端。对于矢状切面，需寻找枕骨大孔中段最靠后方的点。对于冠状切面，需寻找枕骨大孔弯曲处下方的中点。位于每侧耳道上缘最上方、最后方及最外侧的点称为porion（耳点）。在轴向切面上标注耳点时，寻找外耳道口边缘的界限。在矢状切面上，寻找咽鼓管与骨性外耳道相交的点。在冠状切面上，寻找上曲度下缘的中点。通过该点的垂直线大致平分耳道。解剖标志鼻根位于额骨与鼻骨之间缝合线的交点处。对于轴向切面，应寻找该缝合线弯曲高度处的中点。对于矢状切面，寻找额骨与鼻骨相接处缝合线的前部点位。对于冠状切面，寻找额鼻缝合线的中心位置。通过该点的垂直线大致将鼻子分为左右两部分。眶下点是眶下缘最前下方的点。标注该点时，以冠状面或骨窗为默认视图，从下至上进行轴向切割，直至达到眼眶下缘的弯曲处，定位眼眶下缘弯曲部分最下方的点。使用二维视图确认骨性标志点，并调整矢状面和冠状面切片，以反映眶下点的前部位置。确保该标志点位于眼眶开始向外弯曲处的前方位置。上眼眶缘最上方且最靠前的点称为supraorbitale。标注该点时，先将三维容积的默认视图设为额面观，然后从上至下逐渐进行轴向切割，直至到达眼眶上缘的弯曲处，从而确定眼眶上边界最上方的点。调整矢状面和冠状面，以反映解剖标志点的前部位置。确保该标志点位于前方，恰好处于眼眶开始向外弯曲的位置。对于蝶鞍中点，应寻找蝶鞍（垂体窝）的中心，即蝶骨体上呈马鞍状的凹陷区域，垂体或脑下垂体即位于此处。在所有平面上将标记点调整至蝶鞍中心。对于矢状面，将标记点置于蝶鞍中心；对于轴向面和冠状面，相应地调整视图。接下来，用一系列点描记右侧下颌轮廓。然后以相同方法描记左侧下颌轮廓。完成下颌轮廓描记后，髁突点、下颌角点和下颌前角点将自动标注。将髁突点确定为下颌骨髁突上最靠后且最靠上的点，将下颌角点确定为下颌支与下颌体交界处所形成角度中最向外突出的点。然后将前下颌角点确定为下颌支下缘凹面与下颌体连接处的最高点。本图展示了一个人类头颅的全头锥形束CT（CBCT）扫描图像的正面及¾侧面视图，其中包含了当前配置中的所有标注三维解剖标志点。

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