Articolo metodologico

Protocollo di valutazione quantitativa per le variazioni volumetriche dei tessuti molli facciali con stereofotogrammetria

DOI:

10.3791/69204

⸱

9 dicembre 2025

 ,  ,  , 
1Craniofacial Anomalies Bone Regeneration Section, National Institute of Dental and Craniofacial Research, 2Howard University Hospital, Oral and Maxillofacial Surgery Department, Howard University Hospital

In questo articolo

Sommario

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Presentiamo un protocollo dettagliato per l'analisi tridimensionale dei cambiamenti dei tessuti molli con l'uso della stereofotogrammetria.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La valutazione dell'impatto dei trattamenti dentali e ortodontici, così come della chirurgia ortognatica sui tessuti molli del viso, è di importanza cruciale, poiché questi tipi di trattamento possono influire significativamente sull'estetica facciale e, di conseguenza, sulla soddisfazione del paziente. Una valutazione accurata della risposta dei tessuti molli facciali è essenziale per ottenere risultati ottimali nel trattamento. La stereofotogrammetria tridimensionale (3D) è uno strumento affidabile, privo di radiazioni e non invasivo, che può essere utilizzato per valutazioni quantitative della superficie dei tessuti molli, offrendo una rappresentazione altamente accurata delle strutture facciali. L'obiettivo di questo protocollo è dimostrare una metodologia che possa essere utilizzata per la valutazione quantitativa dei cambiamenti dei tessuti molli facciali tramite l'uso della stereofotogrammetria. Per la dimostrazione video, abbiamo utilizzato un software di analisi delle immagini 3D. Il protocollo proposto include i passaggi di preparazione dell'immagine, registrazione spaziale su un asse 3D, selezione e sovrapposizione delle aree di interesse e calcolo del volume dell'area inclusa tra le due immagini superficiali dei tessuti molli coinvolte nella valutazione. Questo protocollo è stato testato per la sua validità e riproducibilità e può avere applicazioni variabili sia per scopi clinici che di ricerca.

Introduzione

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La valutazione dei cambiamenti dei tessuti molli del viso è importante in odontoiatria perché i tessuti molli facciali sono una parte essenziale dell'estetica e della funzione e sono considerati parte integrante della pianificazione del trattamento in diverse discipline odontoiatriche. La valutazione dei tessuti molli consente ai clinici di prevedere l'impatto degli interventi terapeutici - come ortodonzia, protesi e chirurgia ortognatica - sull'aspetto e sull'equilibriodel viso 1. Affidarsi esclusivamente a misurazioni scheletriche o dentali può portare a risultati terapeutici compromessi, poiché il raggiungimento di un'occlusione ideale e/o delle relazioni scheletriche non si traduce sempre in cambiamenti equilibrati o desiderati dei tessuti mollifacciali 2,3.

L'analisi dei tessuti molli è essenziale per una pianificazione individualizzata del trattamento, poiché aiuta a identificare le caratteristiche facciali di base, anticipare gli effetti della crescita e dell'invecchiamento, e prevedere come interventi dentali, ortodontici o chirurgici modificheranno i contorni del viso e il supportostrutturale 4,5. In particolare, le variazioni nel supporto delle labbra, nella convessità facciale e nell'altezza inferiore del viso sono direttamente influenzate da modifiche dentali e scheletriche, e queste modifiche possono influire significativamente sulla soddisfazione del paziente e sull'esito esteticopercepito 2,4. Una valutazione accurata delle modifiche ai tessuti molli è fondamentale per ottenere risultati ottimali nelle zone estetiche, in particolare nell'odontoiatria con impianti e restaurativa, dove è necessaria la conservazione o l'aumento del volume dei tessuti molli per mantenere un aspetto e una funzionenaturali 6. Le moderne tecnologie di imaging tridimensionale e scansione hanno migliorato la precisione e la riproducibilità delle misurazioni dei tessuti molli, facilitando una migliore diagnosi, pianificazione del trattamento e valutazione degliesiti 7,8,9.

Il gold standard per la valutazione dei tessuti molli è l'imaging 3D seriale per quantificare i cambiamenti del volume dei tessuti molli, integrato da esame clinico e sintomi riportatidai pazienti 10. L'approccio più accurato e riproducibile è la stereofotogrammetria 3D seriale o la scansione laser delle superfici, che consente una misurazione precisa delle variazioni del volume dei tessuti molli neltempo 10,11,12. Pubblicazioni precedenti hanno descritto metodi quantitativi per la valutazione dei cambiamenti dei tessuti molli facciali nella letteratura orale e mascellofacciale, anche se gli esiti riportati rimangono altamentevariabili 10,11,12,13,14,15,16,17 . Tuttavia, nella maggior parte degli studi precedenti, i dettagli riguardanti le fasi coinvolte non sono inclusi e la riproducibilità dei risultati spesso non viene riportata. Inoltre, non esiste una dimostrazione video della parte manuale del processo, il che sarebbe praticamente molto utile per clinici e ricercatori interessati a condurre la valutazione dei tessuti molli. Questa dimostrazione video mostra in dettaglio una metodologia per condurre una valutazione del cambiamento volumetrico 3D semi-automatizzata, ad alta accuratezza e altamente riproducibile utilizzando immagini superficiali facciali.

Protocollo

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Questo protocollo è stato condotto in conformità alle linee guida etiche stabilite dall'Institutional Review Board dei National Institutes of Health (NIDCR IRB #16-D-0040). Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti secondo un protocollo (NCT02639312 approvato dall'NIH IRB), che consente l'uso delle fotografie facciali 3D in pubblicazioni di ricerca. Tutte le immagini sono state eseguite presso la NIH Dental Clinic con l'uso di un sistema di imaging3D 18. Consulta la Tabella dei Materiali per i dettagli riguardanti il software utilizzato in questo protocollo. È stato ottenuto il consenso esplicito per l'uso delle fotografie facciali 3D utilizzate in questo protocollo.

1. Preparazione dell'immagine

  1. Il sistema cattura tre immagini: Destra, Frontale, Sinistra, e le elabora automaticamente in un'unica immagine 3D. Se l'auto-cucitura fallisce, assicurati che le immagini siano state scattate nell'ordine specificato e che la posizione sia corretta (angolazione della telecamera, occhi aperti, bocca chiusa). Se le immagini sembrano essere state catturate correttamente, posiziona i punti di riferimento manuali come indicato dal software e, una volta soddisfatto, clicca su riprova punto.
  2. Per manipolare l'immagine senza cambiare l'orientamento spaziale, usa gli strumenti indicati con un'icona di occhio nel menu sinistro: muovi, ruota, inclina, zooma.
  3. Rimuovi le aree inutili dall'immagine usando il ritaglio a scatola per eliminare rapidamente tutto ciò che si trova fuori dal quadro rettangolare selezionato.
    NOTA: Per un montaggio più preciso, usa la Selezione delle Aree Vernice, che consente la selezione manuale delle aree da rimuovere, con l'opzione di regolare la dimensione del pennello per un perfezionamento dettagliato.
  4. Salva l'immagine modificata usando l'opzione di salvataggio dal menu File .

2. Registrazione di base dell'immagine alla griglia dell'asse 3D

NOTA: L'immagine di base è definita dal disegno dello studio. Questa immagine è un riferimento da cui verranno registrate le immagini successive del singolo soggetto. La simmetria della linea media è stabilita come segue:

  1. Seleziona "Griglie degli assi" nelle opzioni superiori della barra degli strumenti per visualizzare le griglie degli assi tridimensionali per tutti i piani.
  2. Clicca su Snap View dalla barra degli strumenti in alto per quadrare l'immagine alla visuale frontale a 90° più vicina.
  3. Dalla barra degli strumenti a sinistra, seleziona Spin Active Surfaces (icona a cubo) e ruota l'immagine finché non sarà divisa uniformemente dall'asse verticale (Y).
  4. Utilizzando lo strumento Selezione Area Pittura dal menu "Strumenti" dell'opzione "Area" nella barra degli strumenti in alto, trascina il pennello sulla superficie frontale dell'immagine tenendo premuto il tasto sinistro del mouse e spostando il cursore per evidenziare il volto
  5. Una volta selezionata, clicca su Trova Simmetria dal menu "Surface" nella barra degli strumenti in alto per allineare automaticamente l'immagine lungo l'asse verticale al centro
  6. Usa Libera Area dall'opzione "Seleziona" dal menu "Area" nella barra degli strumenti in alto per deselezionare la regione successiva.
  7. Per correggere la rotazione dell'immagine e stabilire l'orientamento da avanti a dietro per la registrazione, inizia visualizzando l'immagine in due viewport selezionando l'opzione Mostra una superficie in ciascuna delle due viewport dalla barra d'strumenti superiore.
  8. Usa lo strumento Spin (icona dell'occhio) dalla barra sinistra e la funzione Snap dalla barra superiore per ottenere una visuale laterale. Nella finestra laterale, usa Roll Active Surfaces (icona a cubo) dalla barra degli strumenti a sinistra per regolare l'immagine in modo che la posizione della testa sia allineata verticalmente con la griglia. Successivamente, seleziona Pan Active Surfaces (icona a cubo) dalla barra degli strumenti a sinistra e sposta l'immagine all'interno della visuale laterale finché non è centrata sull'asse verticale principale. Assicurati di salvare l'immagine registrata.

3. Annotazioni di riferimento

NOTA: È stata selezionata una registrazione basata sui punti di riferimento dei tessuti molli rispetto a un metodo basato su superficie per tenere meglio conto della variazione nella disponibilità delle superfici, che è limitata dalla qualità dell'immagine e limitata alle regioni non influenzate dall'intervento chirurgico. La sequenza delle annotazioni dei punti di riferimento dovrebbe essere la stessa per ogni immagine. Se possibile, annota un punto di riferimento specifico del paziente, come una cicatrice o un neo, che si trova al di fuori della regione colpita dall'intervento. La scelta dei punti di riferimento dovrebbe dipendere dall'area di interesse per ogni valutazione.

  1. Per seguire questo protocollo, utilizzare i seguenti punti di riferimento (vedi Figura 1):
    1. Canto mediale/Endocanthion (en): la commissura interna di ogni fessura oculare. Annota prima la sinistra, poi la destra. Verifica la corretta posizione nella visuale frontale.
    2. Canto laterale/Esocanthion (es): la commissura esterna di ciascuna fessura oculare. Annota prima la sinistra, poi la destra. Verifica la corretta posizione nella visuale frontale.
    3. Glabella (g): punto medio anteriore più anteriore sul contorno dei tessuti molli fronto-orbitali. Identifica la posizione dei punti di riferimento nelle viste profili destra e sinistra e poi verifica l'allineamento della linea centrale nella visuale frontale.
  2. Annota i punti di riferimento usando l'opzione Luoghi di riferimento dal menu "Strumenti" dell'opzione "Punti di interesse" nella barra degli strumenti in alto o dall'opzione Luoghi di riferimento nella barra sinistra (icona della freccia in alto). Ricorda di annotare i punti di riferimento nella stessa sequenza ogni volta per tutte le immagini che verranno confrontate. Per modificare la posizione di un punto di riferimento posizionato, seleziona l'opzione Seleziona punti di riferimento dalla barra degli strumenti a sinistra (icona della freccia in basso) e poi l'opzione Posiziona punti di riferimento che ti permette di trascinare il punto di riferimento selezionato, tenendo premuto il tasto sinistro, nella posizione corretta.
  3. Salva l'immagine simboleggiata.

4. Selezione delle aree di interesse nell'immagine di base e nella misurazione del volume

  1. Nella visuale frontale, seleziona la funzione Seleziona Punti Multipli per il Closed Loop dallo strumento della barra degli strumenti a sinistra e posiziona i punti lungo il perimetro della regione di interesse.
  2. Dopo aver completato il ciclo, seleziona Aggiungi all'area by il menu che appare dopo aver fatto clic destro sullo schermo.
  3. Usa lo strumento Selezione Area Paint dal menu "Strumenti" dell'opzione "Area" nella barra degli strumenti in alto per affinare la selezione aggiungendo o cancellando dalla regione di interesse.
  4. Eseguire la stessa procedura nelle viste laterali e submentali per coprire la regione.
  5. Una volta soddisfatto, usa l'opzione Copia Area Selezionata dal menu "Area" nella barra degli strumenti in alto per creare una maschera.
    NOTA: In questo protocollo, la regione di interesse è stata definita come quella colpita dalla chirurgia ortognatica e delimitata dal canto laterale e mediale, dalla glabella e dall'angolo cervico-mentale.

5. Registrazione delle immagini successive, sovrapposizione dell'area di interesse e misurazione del volume

  1. Apri sia l'immagine di base che quella che sarà registrata sulla griglia dell'asse di base (immagine di registrazione).
  2. Seleziona l'opzione Mostra una superficie in ciascuna delle due finestre visive nella barra degli strumenti in alto.
  3. Usa lo strumento Spin (icona dell'occhio) nella barra degli strumenti a sinistra per ruotare manualmente l'immagine finché la sua orientazione non corrisponde molto a quella dell'immagine di base.
  4. Una volta allineati visivamente, posizionare i punti di riferimento nella stessa sequenza descritta nel passo 3.
  5. Seleziona Registrare Superfici dal menu "Superfici" nella barra degli strumenti in alto e applica le seguenti impostazioni: sposta questa "immagine" della superficie per adattarla a questa "baseline" e calcola l'allineamento usando "punti di riferimento con nomi corrispondenti."
  6. Passa a un singolo viewport selezionando l'opzione "1 Viewport" dalla barra in alto e controlla la registrazione eseguendo Colore Superficie per Distanza dal menu "Distanza" nelle opzioni del menu "Misura" nella barra superiore con le seguenti selezioni: colora intera questa "linea di base" della superficie dalla distanza da questa "immagine".
    NOTA: Le regioni non alterate o non alterate dovrebbero mostrare una variazione minima del colore se registrate bene. Assicurati di salvare l'immagine registrata.
  7. Torna a due viewport selezionando l'opzione "Mostra una superficie in ciascuno dei due viewport" nella barra degli strumenti in alto, nascondi l'immagine di registrazione cliccando sulla scheda icona dell'immagine e usa l'Area Selezionata dal menu "Area" nella barra degli strumenti in alto per evidenziare la regione corrispondente dalla linea di base alla seconda immagine.
  8. Torna all'opzione di visualizzazione a due viewport e deseleziona l'icona dell'immagine di registrazione in modo che non sia visibile. Dal menu "Area" seleziona Nascondi per nascondere l'area selezionata dall'immagine di base. Clicca sulla seconda immagine e poi seleziona l'opzione Tra Due Superfici (oggetto diverso) dalle opzioni "Volume" nel menu "Misura".
  9. Torna a una singola vista e nascondi l'immagine di registrazione cliccando sulla sua icona. Seleziona l'opzione +/- Volumi dal menu "Surface" e poi misura il volume tra le due aree selezionate usando l'opzione "Of Closed Surface" dalle opzioni "Volume" nel menu "Misura". I risultati si trovano nell'area "Log" in basso alla finestra.

Risultati

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Questo protocollo descrive in dettaglio un approccio standardizzato e riproducibile per la valutazione 3D dei cambiamenti dei tessuti molli facciali. La stereofotogrammetria consente la quantificazione accurata del gonfiore facciale catturando i cambiamenti superficiali nel tempo. Utilizzando un processo di registrazione guidato dai punti di riferimento, le immagini postoperatorie vengono allineate a una linea di base stabile, permettendo la sovrapposizione e il confronto delle aree colpite dall'intervento. Un'area di interesse è definita usando confini anatomici riproducibili, e il volume corrispondente viene calcolato in millimetri cubi (cm3). Poiché ogni soggetto funge da proprio controllo interno, i volumi assoluti non sono direttamente comparabili tra i soggetti in questa analisi.

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Figura 1: Dimostrazione della misurazione volumetrica tridimensionale. Dimostrazione dell'uso di questo protocollo per la valutazione quantitativa della quantità di gonfiore facciale dopo un intervento ortognatico. (A) Immagine di base acquisita un anno dopo l'intervento, quando il gonfiore post-operatorio era completamente risolto. L'immagine è stata registrata su una griglia ad asse 3D utilizzando i seguenti punti di riferimento anatomici: canthi mediali e laterali bilaterali, glabella. con la definizione del ROI. (B) Immagine postoperatoria acquisita una settimana dopo l'intervento, quando la maggior parte dei pazienti sperimenta il maggior gonfiore. Era registrato sulla stessa griglia di asse, con proiezione del ROI di base sull'immagine. (C) Sovrapposizione di immagini di base e post-operatorie per confermare l'accuratezza dell'allineamento. (D) Maschere volumetriche generate dal ROI in entrambi i punti temporali, con la misura volumetrica risultante in millimetri cubi (cm3). (E) Mappa termica che confronta le differenze di volume tra le maschere; Blu e verde indicano un aumento del volume, mentre il giallo e l'arancione indicano un volume diminuito rispetto all'immagine di base. Un indice numerico codificato a colori è incluso come riferimento. La differenza volumetrica esatta tra le due maschere è fornita anche come output. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

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L'imaging 3D è diventato lo standard di cura nei campi dell'odontoiatria e della chirurgia craniofacciale e offre valutazioni quantitative dei tessuti molli ad altaprecisione 11. La riproducibilità e l'accuratezza della collocazione dei punti di riferimento anatomici nelle immagini 3D sono state anch'esse validate in studiprecedenti 19. Pertanto, la stereofotogrammetria o le immagini 3D dei tessuti molli facciali permettono l'acquisizione di misurazioni antropometriche precise e la quantificazione oggettiva delle variazioni dei tessuti molli attraverso confronti longitudinali delle immagini.

La letteratura precedente sulla valutazione dei tessuti molli facciali spesso descrive metodi che richiedono un'ampia formazione in software specializzati per l'analisi delle immagini, la combinazione di diverse modalità e tipi di software di imaging, o l'annotazione di più punti di riferimento, il che può richiedere tempo e impegno sostanziali da parte degliutenti 11,13,14,20,21,22,23,24,25,26. Una sovrapposizione basata sull'area è inoltre offerta come opzione da diversi software ed è stata implementata in studiprecedenti 27. Si tratta di uno strumento alternativo di sovrapposizione che potrebbe essere utilizzato al posto dell'annotazione manuale dei monumenti. Tuttavia, sulla base dell'esperienza pratica degli autori dopo aver testato entrambi i metodi nell'ambito di uno studio di coorte retrospettiva, la sovrapposizione basata su punti di riferimento è stata un'opzione più semplice e accurata.

La ragione principale era che la sovrapposizione basata sull'area era più sensibile alle piccole differenze tra le immagini sovrapposte, come, ad esempio, la presenza anche di un singolo capello sulla superficie della pelle o l'orientamento preciso della testa. Questo è un problema intrinseco negli studi retrospettivi che avrebbe potuto essere evitato con l'uso di un protocollo di acquisizione dell'immagine più standardizzato, come consigliato di seguito. Tuttavia, le pubblicazioni precedenti che utilizzano la sovrapposizione basata sui punti di riferimento non includono una guida graduale del processo, così da poter essere facilmente replicata da altri clinici e/o ricercatori. Presentiamo qui un quadro standardizzato per la quantificazione delle variazioni volumetriche, già integrato nel software di imaging esistente. Si tratta di un approccio diretto alla valutazione volumetrica dei tessuti molli che non richiede competenze nel campo dell'analisi delle immagini.

Alcune delle sfide tecniche che spesso si incontrano durante la sovrapposizione delle immagini superficiali facciali sono legate alla presenza di peli facciali. A seconda della lunghezza e dello spessore, la barba può compromettere significativamente la precisione delle scansioni perché la superficie cutanea è oscurata. Di conseguenza, il confronto tra scansioni, che è una valutazione quantitativa ad alta sensibilità, sarà inaffidabile. Pertanto, è fortemente raccomandata la presenza di peli facciali molto minimi o, idealmente, assenti, prima dell'acquisizione delle scansioni facciali 3D. I capelli del soggetto devono anche essere allontanati dal viso, permettendo una visione chiara del volto, della fronte e delle orecchie.

Inoltre, i pazienti con schemi respiratori orali o incompetenza delle labbra dovuta a discrepanze scheletriche sottostanti tendono spesso a posizionarsi con le labbra aperte. Questo può diventare un problema durante il confronto delle scansioni seriali, specialmente quando la posizione delle labbra non è coerente. La posizione delle labbra dovrebbe essere riproducibile quando due o più scansioni effettuate in momenti temporali diversi saranno incluse nelle valutazioni volumetriche comparative. Infine, le espressioni facciali dovrebbero essere evitate durante l'acquisizione delle scansioni per motivi di coerenza e riproducibilità. Si raccomanda che tutte le immagini vengano scattate mantenendo un'espressione facciale neutra, con le labbra chiuse, se possibile, e mantenendo i denti a contatto nelle relazioni abituali con il morso. Questa posizione è considerata la più facile da replicare nel tempo.

Inoltre, è importante istruire i soggetti di conseguenza, affinché sappiano esattamente cosa devono fare e cosa comporta il processo di cattura delle immagini. Per lo stesso motivo, il personale coinvolto nell'acquisizione delle immagini dovrebbe essere formato e calibrato tra loro, quando sono coinvolti più persone. Questo può migliorare significativamente la qualità delle scansioni e, di conseguenza, l'accuratezza delle valutazioni quantitative.

In sintesi, questo protocollo fornisce una guida pratica per future valutazioni cliniche e studi di ricerca che mirano a valutare l'impatto dei diversi tipi di interventi terapeutici sull'estetica facciale, nonché la progressione dei processi di guarigione, nel caso delle valutazioni longitudinali. Questo tipo di valutazione può essere molto utile in vari campi dell'odontoiatria, in particolare nei campi della protesi fissa e rimovibile, dell'ortodonzia e della chirurgia ortognatica 28,29,30,31,32,33,34. Gli studi di ricerca focalizzati sulla risposta dei tessuti molli a interventi dentali e/o scheletrici fornirebbero informazioni preziose sull'effetto di queste varie modalità di trattamento sul contorno dei tessuti molli facciali, che è una componente essenziale del risultato complessivo del trattamento. Inoltre, valutazioni longitudinali dei cambiamenti dei tessuti molli legati all'invecchiamento possono essere altrettanto informative sull'effetto a lungo termine che diversi tipi di trattamento potrebbero avere sul profilo dei tessuti molli. Queste informazioni potrebbero essere utilizzate in futuro come parte di approcci personalizzati di simulazione dei risultati del trattamento, che potrebbero essere una parte essenziale della pianificazione del trattamento e delle consulenze con i pazienti.

Dichiarazioni

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Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare.

Ringraziamenti

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Questa ricerca è stata supportata dal Programma di Ricerca Intramurale del National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) dei National Institutes of Health (NIH).

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Fotocamera Vectra H1Canfield ScientificN/ASistema di imaging 3D portatile
Software VectraCanfield ScientificN/ASoftware per l'analisi delle immagini

Riferimenti

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