Name: ヒューマンコーンビームコンピュータ断層撮影スキャンにおける3次元セファロランドマークアノテーションのデモンストレーション (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-09-08T13:20:00.000+00:00
Duration: 10 min 23 s
Description: 学ぶ3次元セファロメトリック解析の手法。CBCTスキャンを用いて頭蓋顔面の骨格ランドマークを正確にアノテーションし、幾何学的形態測定解析と臨床研究への応用を可能にする。

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この研究は、国立衛生研究所(NIH)の国立歯科頭蓋顔面研究所(NIDCR)の学内研究プログラム、およびローズマン大学歯学部の歯科矯正および顎顔面整形外科プログラムの高度な教育によってサポートされました。

ヒトCBCTスキャンでの3Dセファロメトリックランドマークアノテーションのデモンストレーション

<ol><li>Proffit, W. R., Fields, H. W., Larson, B., Sarver, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contemporary+Orthodontics+-+E-Book%5BTitle%5D)+AND+%22Elsevier+Health+Sciences%22%5BJournal%5D)">Contemporary Orthodontics - E-Book.</a> Elsevier Health Sciences. , (2018).</li>
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<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/pubmed?term=((Learning-based+local-to-global+landmark+annotation+for+automatic+3D+cephalometry%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Learning-based local-to-global landmark annotation for automatic 3D cephalometry.</a> Physics in Medicine and Biology. 65 (8), 085018(2020).</li>
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<li>Liberton, D. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Craniofacial+analysis+may+indicate+co-occurrence+of+skeletal+malocclusions+and+associated+risks+in+development+of+cleft+lip+and+palate%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Developmental+Biology%22%5BJournal%5D)">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>
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<li>Kidwai, F. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+craniofacial+analysis+and+generation+of+human+induced+pluripotent+stem+cells+for+Muenke+syndrome%3A+A+case+report%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Developmental+Biology%22%5BJournal%5D)">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>

著者は利益相反を宣言しません。

医学と歯学はすでに3Dイメージングの時代に突入しています。頭蓋顔面および歯科画像の分野では、従来のCT装置と比較して更新されたシステムの低放射線とコストの削減、人員の使用校正が容易、最小限の患者の協力で比較的迅速かつ容易な取得、および1回のスキャンから複数の他の診断画像と分析を生成できるため、CBCTスキャンがますます使用されています。したがって、臨床医や研究者は、これらの3D画像の読み取り、診断、分析の方法を知り、頭蓋顔面の成長と発達を3Dで研究する方法を学ぶことが不可欠です。
この分野の臨床医や研究者を支援するために、ヒトCBCTスキャンを使用した3Dセファロ分析の実施に関する段階的なプロトコルとビデオデモンストレーションを紹介します。これらのランドマークは、以前の出版物で以前に定義および検証されており、その精度と再現性が確認されています4。各ランドマークの詳細な改良手順は、ユーザーが各ランドマークの正しい注釈を付けるのにも役立ちます。ランドマークの注釈プロセスは、各ランドマークを配置する領域に対応するスキャンのプリセットビューを使用することでさらに簡素化されます。この機能により、ユーザーの時間と労力を大幅に節約できます。それにもかかわらず、学習曲線が関係しており、正確なランドマークアノテーションを実現するには、ユーザーが練習する必要があります。
このプロトコルで使用される検証済みの3Dランドマーク構成は、顔、上顎、下顎、および頭蓋底の骨格組織を十分にカバーします。このようにして、頭蓋顔面構造の真の形態は、頭蓋顔面複合体およびその構成要素構造の寸法、構成、および配向の評価のためにより正確に表現される。軟組織のランドマークはこのプロトコルに含まれていませんが、ユーザーはプロトコルで説明されているように、提供された構成に選択したランドマークを追加できます。さらに、実用的な理由から、このプロトコルには他の3D分析ソフトウェアの特定の指示を含めることはできませんでしたが、各ユーザーがそれに応じて適合させることができます。
主に臨床医のために生成された標準的なセファロ測定の診断価値とは別に、この分析を使用して3Dランドマーク間の角度と直線距離を計算することで提供される自由により、より詳細で完全な評価を提供する新しいセファロ分析の確立が可能になります。それにもかかわらず、私たちの将来の方向性には、過去に2D規範的価値が作成されたのと同じように、新しいそれぞれの規範的価値を確立することが含まれます。
さらに、頭蓋顔面の臨床および研究分野におけるランドマークベースのGMAのアプリケーションは、急速に発展しています。進化発生生物学と人類学の研究者は、この分析を10年以上使用してきましたが、最近では、歯科矯正学、顎顔面整形外科、頭蓋顔面外科の分野でも新しい臨床応用が発表されています。GMAは、頭蓋顔面症状を伴う先天性疾患の場合の定量的表現型の一部として、ならびに遺伝子変異に起因する微妙な形態学的差異の検出のためにも使用することができる13,14,15,16。さらに、形態計測データと機能解析および遺伝データをリンクさせることによるさまざまな定量的アプローチの統合は、健康なグループおよび疾患グループの頭蓋顔面発達に関する新しい知識を提供することができます。
計算と可視化の最近の進歩により、このタイプの分析の実施はパーソナルコンピュータで実現可能になり、チェックポイント、Geomorph(R統計ソフトウェアのパッケージ)、Amira-Avizo、SlicerMorphなどのいくつかのソフトウェアパッケージがすでに利用可能です。これらのプログラムは、多変量統計解析に不慣れな医療分野の研究者が、組み込みの自動機能を利用できる状態でGMAを実施するのに役立ちます。

人間の頭蓋骨の歯と骨格の関係を調べるセファロ分析は、セファロメトリーの臨床応用です。人類の進化や頭蓋顔面の発達を研究する人類学者、発達生物学者、法医学者、頭蓋顔面研究者のほか、歯科医師、歯科矯正医、口腔外科医、口腔外科医などの口腔保健専門家が治療計画ツールとして活用しています。歯列矯正でセファロ分析を使用した最も初期の機関は、1931年のドイツのホフラスと米国のブロードベントでした1,2,3。分析の主な目的は、個人の頭蓋顔面の比率を評価し、不正咬合の解剖学的原因を定義するための理論的および実用的なリソースを提供することでした1。これにより、上顎骨と下顎骨の成長パターンを追跡し、空間内のそれらの関係位置を監視し、軟部組織と歯の変位の変化を観察することができました。その結果、矯正治療によってもたらされる変化をモニタリングすることができ、骨格と歯の関係を特徴づけて治療計画のための診断を行うことができた。顎顔面複合体の評価は、患者のセファロトレーシングを、同様の年齢、人種、民族の正常な集団を代表する基準値と比較することによって行われました1。
従来の分析方法は、3次元(3D)構造の2次元(2D)描写で構成されていました4,5。この技術の主な欠点は、プレーンフィルムまたはデジタルフォーマットでの従来のX線イメージングによる解剖学的構造の歪みと拡大であり、これは不正確なセファロトレースと解釈につながる可能性があります6,7。軸方向コンピュータ断層撮影(CT)およびスパイラルCTの形での3Dイメージングの最初の導入には、高コストおよび高放射線量のために歯科または非医療用途が含まれていなかった。しかし、コーンビームコンピュータ断層撮影(CBCT)スキャンの出現は、費用と放射線量がCT1よりも大幅に低かったため、これらの懸念を軽減しました。このイメージングの物語の変化は、診断と治療計画の改善のために歯列矯正におけるCBCTの広範な使用を刺激しました。従来の2D画像技術に対する3Dイメージングの主な利点は、3Dにより、検査者が重ね合わせや空間的歪み(すなわち、個人の頭の位置)なしに解剖学的構造を見ることができることです。したがって、特に顔面の非対称性の場合には、セファロ分析の実施に使用される解剖学的ランドマークのはるかに正確な位置決めが可能である。さらに、はるかに大きな解剖学的領域を分析することができます。
セファロメトリーの分野における最新の進歩の1つは、自動ランドマーク検出のためのディープラーニング(DL)の実装です8,9,10,11。これらの研究の結果は有望ですが、ランドマークの配置の精度のレベルはまだ満足のいくものではありません。さらに、これらの研究のほとんどは、以前の2Dセファロ分析から得られた比較的小さなランドマークセットを使用しており、頭蓋顔面の成長と発達の研究にとって重要な構造である頭蓋基部のカバレッジが不十分です。このデモビデオでは、CBCTイメージングを含む臨床および研究研究で使用するために、顔、頭蓋底、下顎骨、歯の領域をカバーする検証済みの3D骨格組織ランドマークのセットを使用して、手動の高精度3Dセファロ分析を実施するための方法論を詳しく説明します4。完成した3D解析の例を図1に示します。

<table><tbody><tr><td>Invivo6 Dental Software、</td><td>Anatomage</td><td>N/A</td><td>、3Dイメージングソフトウェア(3D解析モジュールを含む)</td></tr></tbody></table>

ヒューマンコーンビームコンピュータ断層撮影スキャンにおける3次元セファロランドマークアノテーションのデモンストレーション

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

頭蓋顔面セファロ分析は、頭と顔のさまざまな骨と軟部組織の関係を評価するために使用される診断ツールです。セファロ分析は、従来、2DX線写真とランドマークセットを使用して行われ、サイズ、線形および角度測定、および2D関係に制限されていました。歯科分野での3Dコーンビームコンピュータ断層撮影(CBCT)スキャンの使用の増加は、3つの平面すべてにおける縦方向の発達の形状とより現実的な分析を組み込んだ3Dセファロ分析への進化の必要性を指示しています。この研究は、人間のCBCTスキャンで検証された一連の骨格組織ランドマークを使用した3Dセファロ分析のデモンストレーションです。3Dボリューム上の各ランドマークの注釈に関する詳細な手順は、ステップバイステップのプロトコルの一部として提供されます。ランドマークの生成された測定値と3D座標は、エクスポートして、臨床目的と研究目的の両方に使用できます。基礎的および臨床的な頭蓋顔面研究における3Dセファロ分析の導入は、頭蓋顔面の成長と発達の分野における将来の進歩につながります。

検証済みの3Dランドマーク構成の注釈は、ステップバイステップのプロトコルとビデオデモンストレーションを使用して詳細に説明されています。3Dボリューム上の各ランドマークの注釈、および空間の各平面に対応する2D断面図を使用した初期位置の調整に関する具体的な指示が提供されています。ビデオの説明と組み合わせてプロトコルで提供される詳細な方法論に従うことにより、ユーザーは人間のCBCTスキャンを使用してセファロ分析を行う方法を学ぶことができます。
図1 は、現在の構成に含まれる注釈付き3Dランドマークを使用した人間の頭蓋骨のフルヘッドCBCTスキャンの正面図と4分の3図を表しています。記載されているすべてのランドマークはタイプ1とタイプ2です。タイプ1のランドマークは、異なる解剖学的構造の交差点で通常観察される明確に認識可能なポイントを表します。タイプ2のランドマークは、認識可能な解剖学的構造12の輪郭上の最大曲率の点を表す。この分析には、タイプ3または準ランドマークは含まれていませんでした。
ランドマークの注釈が完了した後、ユーザーがエクスポートしてさらに分析できるデータには、セファロ測定と3D座標値の2種類があります。歯骨格不正咬合の診断と評価に必要な主要なセファロ測定の値が提供されます。これらの測定値は、矢状、垂直、横方向の空間の3つの平面すべてにおける骨格と歯の関係の詳細な評価を提供します。各ランドマークの 3D 座標値 (x、y、z) をエクスポートして、角度と直線距離の計算に使用できます。同じ座標の値は、多変量幾何学的形態測定分析(GMA)の実施に使用できます。GMAは、デカルトランドマークおよび/または半ランドマーク座標を利用して形態学的に異なる形状変数をキャプチャできる形状を研究するための方法です。いくつかの統計的手法を使用して、検査された構造のサイズ、位置、または方向を考慮せずに形状を調べることができます。幾何学的形態測定学は現在、ランドマークベースのデータを処理するための形態計測理論の最も確立された体系です。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65224/65224fig01.jpg"> 図1:現在の構成に含まれている注釈付きの3Dランドマークを使用した人間の頭蓋骨のフルヘッドCBCTスキャンの正面図と4分の3図。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/65224fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル1:このプロトコルで使用されるランドマークを含む構成ファイル分析のためにソフトウェアに直接アップロードできます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65224/AnalysisCFGUser.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

ここに提示されるのは、人間のコーンビームコンピュータ断層撮影スキャンを使用した3次元セファロ分析の実施のための詳細なプロトコルです。

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

このプロジェクトの目的は、検証済みの3D骨格ランドマークのセットを使用して、3Dセファロ分析を実施するための詳細な方法論を提供することです。これらのランドマークは、頭蓋底、顔上顎、下顎の領域をカバーし、臨床研究および研究研究に使用できます。3Dボリュームで初めてランドマークに注釈を付ける人には学習曲線があり、これらのランドマークを臨床および調査研究に適用する前に、より多くの経験と一貫性を習得するために多くの練習を強くお勧めします。3Dセファロ分析は、2Dセファロ分析と比較して、より正確な測定値を提供します。従来のX線フィルムや2Dデジタルフォーマットの解剖学的構造の歪みと拡大のために、2Dセファロ分析は正確なトレースと解釈につながる可能性があります。さらに、3Dランドマークの座標をエクスポートして、形状を研究するための幾何学的形態測定分析の実施に使用できます。3Dランドマークデータ分析の使用は、頭蓋顔面変形の場合の詳細な定量的表現型アプローチの一部となり得る。さらに、形態計測解析と機能解析および遺伝情報の統合は、健常者および疾患コホートにおける頭蓋顔面発達の場合に新たな知見を提供します。

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医学

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ヒューマンコーンビームコンピュータ断層撮影スキャンにおける3次元セファロランドマークアノテーションのデモンストレーション

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