立体写真測量による顔面軟部組織体積変化の定量的評価プロトコル

サマリー

私たちは、立体写真測量を用いて軟部組織変化の三次元解析を行う詳細なプロトコルを提示します。

要約

歯科および矯正治療、ならびに正顎手術が顔面軟部組織に与える影響の評価は極めて重要です。なぜなら、これらの治療は顔の美観に大きな影響を与え、ひいては患者の満足度に大きな影響を与えるからです。顔面軟部組織の反応を正確に評価することは、最適な治療結果を達成するために不可欠です。三次元(3D)ステレオフォトグラメトリーは、信頼性が高く放射線を伴わない非侵襲的なツールであり、軟部組織表面の定量的評価に用いられ、顔の構造を高度に正確に表現できます。このプロトコルの目的は、ステレオフォトグラメトリーを用いて顔面軟部組織の変化を定量的に評価できる方法論を示すことです。ビデオデモンストレーションでは、3D画像解析ソフトウェアを使用しました。提案されたプロトコルには、画像準備、3D軸への空間的登録、関心領域の選択と重ね合わせ、評価に関わる2つの軟部組織表面画像間に含まれる面積の計算が含まれます。このプロトコルは妥当性と再現性について検証されており、臨床および研究目的で多様な応用が可能です。

概要

顔の軟部組織の変化の評価は歯科において重要です。なぜなら、顔の軟組織は審美と機能に不可欠な部分であり、歯科分野にわたる治療計画の不可欠な一部とされているからです。軟部組織の評価により、矯正治療、補綴治療、正顎手術などの治療的介入が顔の見た目やバランスに与える影響を予測できます^。骨格や歯の測定だけに頼ると、理想的な閉塞や骨格関係の達成が必ずしもバランスの取れた望ましい顔面軟部^{組織の変化につながる}とは限らず、治療結果が損なわれる可能性があります^2,3。

軟部組織分析は個別の治療計画に不可欠であり、顔の基準的な特徴を特定し、成長や老化の影響を予測し、歯科、矯正、外科的介入が顔の輪郭や^{構造的サポート}をどのように変えるかを予測するのに役立ちます^4,5。具体的には、唇の支持、顔の凸性、顔の高さの低下は歯科および骨格の変化によって直接影響を受け、これらの変化は患者の満足度や美的結果の認識に大きな影響を与える^2,4。軟部組織の変化を正確に評価することは、特にインプラントや修復歯科において、自然な外観^{と機能を維持する}ために軟部組織の容積の維持や増強が必要な審美部位で最適な結果を得るために非常に重要です。最新の三次元イメージングおよびスキャン技術により、軟部組織測定の精度と再現性が向上し、より良い診断、治療計画、アウト^カム評価が可能になりました^7,8,9。

軟部組織評価のゴールドスタンダードは、臨床検査や患者^{報告症状を}補完する3D連続画像診断で軟部組織の容積変化を定量化することです。最も正確かつ再現性の高い方法は、シリアル3Dステレオフォトグラメトリーまたはレーザー表面スキャンであり、時間経過による軟部組織の体積変化を正確に測定できます^。過去の論文では口腔および顎顔面の文献における顔面軟部組織の変化を評価する定量的方法が記載されていますが、報告された結果は依然として大きく変動しています。10,11,12,13,14,15,16,17.しかし、これまでの多くの研究では、関わるステップの詳細は含まれておらず、結果の再現性も報告されないことが多いです。さらに、手動でのプロセスのビデオデモンストレーションがなく、軟部組織評価を目指す臨床医や研究者にとって非常に価値があります。このビデオデモンストレーションでは、顔面イメージングを用いて半自動化され高精度かつ再現性の高い3D体積変化評価を行う方法論を詳細に紹介しています。

プロトコル

このプロトコルは、米国国立衛生研究所(NIH)機関審査委員会(NIDCR IRB #16-D-0040)によって定められた倫理ガイドラインに従って実施されました。NIH IRB承認プロトコル(NCT02639312)のもと、すべての被験者からインフォームドコンセントが得られ、3D顔写真の研究関連出版物での使用が許可されました。すべての画像診断はNIH歯科クリニックで3D^{イメージングシステムを}用いて実施されました。このプロトコルで使用されるソフトウェアの詳細については、 材料表 を参照してください。このプロトコルで使用された3D顔写真の使用に関しては明確な同意が得られました。

1. 画像準備

1. システムは右、前、左の3つの画像を撮影し、これらを自動的に1つの3D画像に処理します。自動縫い付けが失敗した場合は、画像が指定された順序で撮影され、位置(カメラアングル、開いた目、口を閉じた状態)が正しいか確認してください。画像が正しく撮影されているように見えたら、ソフトウェアの指示通り手動のランドマークを配置し、満足したらリ トライステッチをクリックします。
2. 空間の向きを変えずに画像を操作するには、左メニューの 目 アイコンで示されたツール( 移動、回転、傾き、ズーム)を使います。
3. ボックス クロップ を使って画像から不要な部分を削除し、選択した長方形フレームの外を素早くすべて除去します。
   注意:より正確な編集を行えば、ペ イントエリア選択を使いましょう。これにより手動で除去するエリアを選択でき、細部まで細かく調整できる筆のサイズも可能です。
4. 編集済みの画像はファイルメニューの保存オプションで保存してください。

2. 3D軸グリッドへの基準画像の登録

注:ベースライン画像は研究デザインによって定義されています。この画像は、個々の被験者の今後の画像を登録するための参考資料となります。中線対称性は次のように確立されます。

1. トップのツールバーオプションから「Axis Grids」を選択すると、すべての平面の三次元軸グリッドが表示されます。
2. 上部ツールバーの 「スナップビュー」をクリックして、画像を最も近い90度正面の画面に直角に合わせます。
3. 左側のツールバーから「 Spin Active Surfaces」(キューブアイコン)を選択し、画像を垂直方向(Y軸)で均等に二分するまで回転させます。
4. 上部ツールバーの「Area」オプションの「Tools」メニューにある Paint Area Select ツールを使い、左クリックボタンを押しながらカーソルを動かして画像の前面面をドラッグします
5. 選択したら、上部ツールバーの「Surface」メニューから「 Find Symmetry 」をクリックして、画像を中心の垂直軸に沿って自動的に整列させます
6. 上部ツールバーの「エリア」メニューの「選択」オプションからエリア をクリア して、その後リージョンを選択し外してください。
7. 画像の回転を修正し、前後方向の配置を確立するには、まず上部ツールバーから「 Two Viewportの各1つの表面を表示」オプションを選択して、2つのビューポートに画像を表示します。
8. 左側のツールバーにある スピン ツール(目のアイコン)と、上部のツールバーからス ナップ 機能を使って横方向のビューを取得します。横方向のビューポートでは、左側のツールバーからロール アクティブサーフェス (キューブアイコン)を使って、画像の頭部位置をグリッドと垂直に合わせるように調整します。次に、左側のツールバーから「 Pan Active Surfaces 」(キューブアイコン)を選択し、画像を横方向の視点内でメインの垂直軸の中央に合わせるまで移動させます。登録画像を必ず保存してください。

3. ランドマーク注釈

注:表面利用率の変動により、画像品質に制限され手術の影響を受けない領域に限定される表面利用可能性の変動をよりよく考慮するため、軟部組織ランドマークベースの登録が選ばれました。ランドマーク注釈の順序は、各画像で同じであるべきです。可能であれば、手術の影響を受ける領域外にある瘢痕やほくろなど患者特有のランドマークを注釈してください。ランドマークの選定は、各評価の関心分野によって決まるべきです。

1. このプロトコルに従うには、以下のランドマーク( 図1参照)を使用します。
   1. 内側角/内角(Endocanthion、英語):各目の裂け目の内側の連結。まず左に注釈をつけ、次に右に注釈をつけます。正面からの位置を確認しましょう。
   2. 外角孔/外角孔(ex):各眼窩の外側の裂合。まず左に注釈をつけ、次に右に注釈をつけます。正面からの位置を確認しましょう。
   3. Glabella(g):前頭眼窩軟部組織輪郭の最も前方の中央点。右と左のプロファイルビューでランドマークの位置を特定し、正面ビューで正中線の位置を確認します。
2. ランドマークに注釈を付けるのは、上部のツールバーの「Landmarks」オプションの「 Tools」メニュー、または左側のツールバー(上部矢印アイコン)のPlaceランド マークオプションからです。比較するすべての画像に対して、毎回同じ順序でランドマークに注釈を付けることを忘れないでください。配置されたランドマークの位置を編集するには、左側のツールバー(下部矢印アイコン)から「 ランドマークの選択」オプションを選択し、その後「 ランドマークを置く」オプションを選びます。これにより、左キーを押し続けることで選択したランドマークを正しい位置にドラッグできます。
3. ランドマークされた画像を保存してください。

4. ベースライン画像および体積測定における関心領域の選択

1. 正面ビューでは、左側のツールバーツールから「 閉じたループのための複数ポイントを選び」を選択し、関心のある領域の周囲にポイントを配置します。
2. ループを終えた後、画面を右クリックすると表示されるメニューで「 エリアbyに追加」を選択します。
3. 上部ツールバーの「エリア」オプションの「Tools」メニューにある Paint Area Selectツールを使って、興味のある領域を追加または消去して選択範囲を絞り込みます。
4. 同じ手順を外側およびサブメンタルビューでも行い、その領域をカバーします。
5. 満足したら、上部ツールバーの「Area」メニューから「選択領域をコピー」オプションを使ってマスクを作成します。
   注:本プロトコルでは、関心領域は正顎手術によって影響を受ける領域と定義され、外側および内側の眼角、標板、頸-精神角によって区分されました。

5. 後続画像の登録、関心領域の重ね合わせ、体積測定

1. ベースライン画像と、ベースライン軸グリッドに登録される画像(登録画像)の両方を開いてください。
2. 上部のツールバーで「 2つのビューポートに1つのサーフェスを表示する」オプションを選択します。
3. 左側のツールバーにある スピン ツール(目のアイコン)を使って、画像の向きをベースライン画像とほぼ一致させるまで手動で回転させてください。
4. 視覚的に揃ったら、ステップ3で説明した順序でランドマークを配置します。
5. 上部ツールバーの「Surfaces」メニューから 「Register Surfaces 」を選択し、以下の設定を適用します:このサーフェス「画像」をこの「ベースライン」に合わせるように移動し、「対応する名前を持つランドマーク」を使ってアライメントを計算します。
6. トップツールバーの「1つのビューポート」オプションを選択して単一のビューポートに切り替え、トップツールバーの「Measure」メニューの「Distance」メニューから「 Color Surface by Distance」を以下の選択で行ってレジストレーションを確認してください:全体色、このサーフェス「ベースライン」をこのサーフェス「画像」までの距離ごとに 色付けしてください。
   注意:影響を受けていない、または変化していない領域は、適切に認識されていれば色の変化は最小限に抑えられるべきです。登録済み画像を必ず保存してください。
7. 上部のツールバーで「Two Viewportの各1つのサーフェスを表示する」オプションを選択し、画像のアイコンタブをクリックして登録画像を非表示にし、上部ツールバーの「Area」メニューから「 Project Selected Area 」を使って、ベースラインから2枚目の画像に該当する領域をハイライトしてください。
8. 2つのビューポートビューオプションに戻り、登録画像アイコンを選択して見えないようにしてください。「エリア」メニューから「 非表示」を選択して、選択したエリアをベースライン画像から非表示にします。2枚目の画像をクリックし、次に「Measure」メニューの「Volume」オプションから「 Between Two Surfaces(異なるオブジェクト)」オプションを選択してください。
9. 単一のビューポートビューに戻り、そのアイコンをクリックして登録画像を非表示にします。「Surface」メニューから +/-ボリュームオプションを選択し、「Measure」メニューの「Volume」オプションから「Of Closed Surface」オプションを使って、2つの選択した領域間のボリュームを測定します。結果はウィンドウ下部の「ログ」エリアで確認できます。

結果

このプロトコルは、顔面軟部組織変化の3D評価のための標準化され再現可能なアプローチを詳細に説明しています。ステレオフォトグラメトリーは、時間経過による表面変化を捉えることで顔の腫れを正確に定量化することを可能にします。ランドマークガイド付き登録プロセスを用いて、術後の画像を安定した基準線にアライン合わせし、手術の影響を受けた部位の重ね合わせや比較が可能になります。再現可能な解剖学的境界を用いて関心領域が定義され、対応する体積は立方ミリメートル(^cm3)で計算されます。各被験者は独自の内部制御であるため、この分析では絶対量は被験者間で直接比較できません。

図1:三次元体積測定のデモンストレーション。 正顎手術後の顔面腫れの量を定量的に評価するためのこのプロトコルの使用実証。(A) 術後腫れが完全に解消された手術後1年後に取得したベースライン画像。画像は3D軸グリッドに、以下の解剖学的ランドマーク(両側内側および外側眼線、グラベラ)を用いて登録されました。ROIの定義とともに。(B) 術後1週間に撮影された画像で、ほとんどの患者が最も腫れを経験する時期です。同じ軸グリッドに登録され、ベースラインROIが画像に投影されていました。(C) アライメントの正確さを確認するために、ベースライン画像と術後画像の重ね合わせ。(D) ROIから両時点で生成された体積マスクと、その結果としての体積測定(立方ミリメートル(^cm3))。(E) マスク間の体積差を比較したヒートマップ;青と緑は体積の増加を示し、黄色とオレンジは基準画像と比べて体積が減少していることを示します。色分けされた番号インデックスが参照として含まれています。2つのマスク間の正確な体積差も出力として提供されます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

ディスカッション

3D画像診断は歯科および頭蓋顔面外科の分野で標準的な治療となり、高精度な軟部組織の定量的評価^{を提供します。}3D画像上の解剖学的ランドマークの配置の再現性と正確性も、^{過去の研究}で検証されています。したがって、立体写真測量法や3D顔面軟部組織画像は、縦断画像比較を通じて正確な人体測定や軟部組織変化の客観的な定量化を可能にします。

顔面軟部組織評価に関する既存の文献では、専門的な画像解析ソフトウェアでの広範な訓練、異なる画像手法やソフトウェアの組み合わせ、複数のランドマークの注釈が必要で、ユーザーの多大な時間と労力を要する方法がよく記載されています^。11,13,14,20,21,22,23,24。^25、26。領域ベースの重ね合わせも他のソフトウェアで提供されており、過去の研究で実装されています^。これは手動のランドマーク注釈の代わりに使える代替の重ね合わせツールです。しかし、著者らが回顧的コホート研究の一環として両方の方法を検証した後の実務経験に基づき、ランドマークベースの重ね合わせ法がより簡単で正確な選択肢であると判断しました。

主な理由は、面積ベースの重ね合わせが重ね合わせされた画像間の小さな違い、例えば皮膚表面に一本の毛の有無や頭部の正確な向きなどにも敏感だったからです。これは後ろ向き研究に本質的に存在する問題であり、以下に推奨されるより標準化された画像取得プロトコルを用いて回避できたはずです。しかしながら、過去のランドマークベース重ね合わせを用いた論文では、他の臨床医や研究者が容易に再現できるような段階的な指導は含まれていません。ここでは、既存の画像診断ソフトウェアに統合されている体積変化の定量化のための標準化されたフレームワークを提示します。これは、画像解析の専門知識を必要としない、体積型軟組織評価へのシンプルなアプローチです。

顔面画像の重ね合わせでよく直面する技術的な課題のいくつかは、顔の毛の存在に関連しています。顔の毛の長さや太さによっては、皮膚表面が隠れているため、スキャンの精度を大きく損なうことがあります。したがって、高感度で定量的な評価であるスキャン間の比較は信頼性に欠けるでしょう。したがって、3D顔面スキャンを取得する前に、顔の毛がごくわずかか、理想的には全くないことが強く推奨されます。また、被写体の髪は顔から離して配置し、顔や額、耳がはっきり見えるようにします。

さらに、口腔呼吸パターンや骨格の不一致による唇の機能不全がある患者は、唇を開いた姿勢をとる傾向があります。これは特に唇の位置が一貫していない場合、連続スキャンの比較時に問題となることがあります。異なる時期に行われた2件以上のスキャンを比較体積評価に含める場合、唇の位置は再現可能であるべきです。最後に、一貫性と再現性の観点から、スキャン取得時の表情は避けるべきです。すべての画像は、患者さんが無表情で、可能であれば唇を閉じ、普段の噛み合わせ関係で歯を接触させたまま撮影することが推奨されます。このポジションは時間をかけて最も再現しやすいと考えられています。

さらに、被写体に適切な指導を施すことも重要であり、何をすべきか、撮影の過程が何を含むかを正確に理解できるようにします。同じ理由で、複数の人が関わる場合は、画像の取得に関わる人員同士で訓練と校正を行うべきです。これによりスキャンの質が大幅に向上し、結果として定量的評価の精度も向上します。

まとめると、このプロトコルは、さまざまな治療介入が顔面美学に与える影響や、縦断的評価の場合の治癒過程の進行を評価するための将来の臨床評価や研究のための実践的な指針を提供します。この種の評価は、特に固定・脱出型補綴、矯正歯、正顎手術の分野で非常に有益なもの^{となります。}歯科および/または骨格組織介入に対する軟部組織の反応に焦点を当てた研究は、これらの様々な治療法が顔面軟部組織の輪郭に与える影響について貴重な情報を提供します。顔面軟部組織は治療全体の成果に不可欠な要素です。さらに、加齢に関連する軟部組織の変化の縦断的評価も、さまざまな治療が軟部組織プロファイルに与える長期的な影響についても同様に有益です。この情報は将来的にカスタマイズされた治療結果シミュレーションの一部として活用され、治療計画や患者相談の重要な一部となる可能性があります。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Vectra H1カメラ	キャンフィールド・サイエンティフィック	該当なし	ハンドヘルド3Dイメージングシステム
Vectra ソフトウェア	キャンフィールド・サイエンティフィック	該当なし	画像解析ソフトウェア