이 연구는 증후군성 두개유합증(SC)이 있는 어린이를 위한 수술 전 평가 및 개별화된 수술 계획을 위한 잠재적 도구로 안면 중앙 및 두개골 기저부 형태를 사용하는 연령 조정 회귀 모델링을 제안했습니다.
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연구 논문
증후군성 두개유합증의 안면 중간 형성부전과 두개골 기저부 형태: 예측 회귀 모델을 이용한 비교 분석 연구
이 논문에서
요약
초록
안면 중간 형성 부전증은 구개열 및 증후군 유통증과 같은 두개안면 장애가 있는 어린이에게 흔한 기형입니다. 이 상태와 관련된 주요 기능적 문제는 비인두 기도가 좁아져 호흡기 질환을 유발하는 것입니다. 3개의 개별 그룹(정상, 수술된 증후군 두개유합증 및 비수술적 증후군 두개유합증)에 걸쳐 30개의 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔 데이터 세트를 포함하는 파일럿 연구를 수행하여 발표된 중안면 공식, 즉 증후군 두개유합증의 예측 두개골 기저 측정을 위한 'Hariri-Ros-Nor 회귀 모델'을 평가했습니다. 얻은 결과는 두개골 기저부(NBa) 예측이 상대적으로 일관되었지만 안면 중앙 너비(ZMR-ZML)는 특히 수술을 받은 증후군성 두개유합증 환자에서 예측값과 상당한 불일치를 보였다는 것을 보여주었습니다. 나이는 측정 정확도와 예측 신뢰성에 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 결론적으로, 현재 연구는 연령 조정 모델링이 두개안면 평가의 예측 정확도를 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 이는 증후군성 두개유합증에서 수술 전 평가 및 개별화된 수술 계획을 위한 잠재적인 도구를 제공합니다.
서론
증후군성 두개유합증(SC)은 두개골 봉합사의 조기 융합으로 인해 발생하는 복잡한 선천성 질환으로, 두개골 성장 제한, 두개골 기저부 기형 및 안면 중앙 형성부전을 초래하여 종종 기능적 및 심미적 합병증을 유발합니다 1,2. 이러한 이상은 기도 개통성, 시각적 무결성 및 신경 발달 결과를 손상시킬 수 있으므로 조기 인식과 정확한 개입의 중요성이 강조됩니다 1,3. SC의 외과적 관리는 교정이 지연되면 두개내압 상승, 폐쇄성 수면 무호흡증(OSA), 안구 돌출 및 각막 노출과 같은 안과적 합병증의 위험이 증가하기 때문에 특히 시간에 민감합니다 1,3,4. 따라서 두개골 및 안면 중앙 전진의 최적 시기를 결정하는 것은 임상 관리의 가장 중요하고 어려운 측면 중 하나로 남아 있습니다1.
증후군성 두개유합증에 대한 기존의 평가 방법은 종종 외과적 개입을 안내하기 위해 기술적 성장 분석 및 기능적 역치에 의존합니다 5,6. 이러한 접근법은 일반적인 기준점을 제공하지만 환자별 예측 정확도가 부족하고 임상적 주관성의 영향을 받습니다 7,8. 최근 몇 년 동안 두개안면 성장 궤적을 예측하고 개별화된 수술 계획을 알릴 수 있는 정량적 모델 개발에 대한 관심이 높아졌습니다. 이 중 Hariri-Ros-Nor 회귀 모델은 두개골 기저부 랜드마크와 안면 중앙 치수 사이의 예측 관계를 설정하여 재현 가능하고 정량적인 프레임워크를 제공하여 임상의에게 성장을 예측하고 수술 시기를 최적화할 수 있는 객관적인 도구를 제공합니다9.
이 모델의 예측 강도는 특히 뚜렷한 성장 패턴과 수술 요구 사항을 나타내는 Apert 및 Crouzon 증후군과 같은 가장 흔한 증후군 하위 유형과 관련이 있습니다9. 표준 두개안면 CT 영상과 재현 가능한 해부학적 랜드마크, 즉 Sella, Nasion, Basion, ZMR 및 ZML을 사용하여 이 모델은 고급 기하학적 형태학적 또는 유한 요소 분석을 사용할 수 없는 임상 환경에서도 효율성과 해석 가능성으로 안면 중앙 성장을 정량화할 수 있습니다9. 안면 성장이 활발하고 수술 시기 결정이 지속적인 발달 영향을 미치는 초기 및 중기(약 4-12세)에 특히 유용합니다9. 그러나 모델의 적용 가능성은 CT 영상에 대한 의존도, 단일 코호트 내에서의 검증, 매우 어린 또는 후기 청소년 환자의 잠재적 변동으로 인해 제한되며, 이는 다학제적 평가와 함께 통합의 필요성을 강조합니다10.
이러한 기반을 바탕으로 Hariri-Ros-Nor 회귀 모델은 안면 중앙 및 두개골 기저부 성장을 예측하기 위한 재현 가능한 환자별 접근 방식을 제공하여 현재 기술 프레임워크의 한계를 해결합니다. 해부학적 관계를 정량화하면 기능 저하 위험이 있는 환자를 조기에 식별할 수 있으며 사전 예방적인 데이터 기반 수술 계획을 지원할 수 있습니다. 이러한 기능은 기도 폐쇄, 두개내 고혈압 및 안과 이환율과 같은 지연된 개입과 관련된 돌이킬 수 없는 합병증을 예방하는 데 특히 중요합니다. 따라서 본 연구는 증후군 및 비증후군 소아 집단의 안면 중앙 및 두개골 기저부 성장 패턴을 평가하는 데 있어 Hariri-Ros-Nor 회귀 모델의 정확성과 임상적 적용 가능성을 평가하는 것을 목표로 합니다.
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프로토콜
이 연구는 쿠알라룸푸르 말라야 대학교 치과대학 의료 윤리 위원회(DF OS1921/0082(P))의 승인을 받았습니다. 이 연구에는 생물학적 조직이나 체액을 사용하지 않고 후향적 및 익명화된 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔 데이터가 포함되었기 때문에 환자의 동의가 필요하지 않았습니다. 이 연구의 방법론은 Hariri et al.9 이 설명한 절차를 몇 가지 수정 사항으로 따랐습니다. 사용된 장비 및 소프트웨어는 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 피험자 선택 및 CT 스캔 데이터 검색
증후군성 두개유합증(SC) 진단을 받은 소아 환자의 후향적 두개골 CT 스캔은 2015년 11월부터 2022년 12월까지의 기간을 포함하는 말라야 대학 의료 센터(UMMC)의 두개안면 클리닉의 디지털 영상 아카이브에서 검색되었습니다. 또한 2023년 5월부터 2024년 1월 사이에 얻은 전향적 CT 스캔도 포함되었습니다.
잠재적 피험자는 두개안면 클리닉 기록에서 식별되었고 사전 정의된 적격성 기준에 따라 조사자가 수동으로 선별했습니다. 포함 기준은 (1) 두개안면 외과 의사에 의한 증후군성 두개유합증의 확인된 진단, (2) 완전한 의료 기록의 가용성 및 (3) 연령 <12세로 구성되었습니다. 대조군 피험자도 12세 미만이었고 두개안면 기형의 병력 없이 완전한 두개골 및 안면 CT 스캔을 받아야 했습니다. 모든 코호트에 적용된 제외 기준에는 12세≥, 비증후군성 또는 고립성 두개골유합증, 불완전한 임상 또는 영상 문서, 두개안면 수술 병력 또는 다른 증후군과 관련된 안면 중앙 형성 부전이 포함되었습니다. 스크리닝 후, 비조영 CT 두개골 데이터 세트를 얻기 위해 적격 피험자의 최종 목록을 생물 의학 영상 연구 부서에 제출했습니다. 이미징 데이터는 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 형식의 컴팩트 디스크(CD)에 제공되었으며, 획득 프로토콜은 부서 지침(축 슬라이스 두께≤1.00mm, 전체 두개안면 범위 및 일관된 복셀 해상도)에 따라 표준화되었습니다. Biomedical Imaging 부서는 릴리스 전에 데이터 세트의 완전성, 중요한 아티팩트의 부재 및 DICOM 표준 준수를 확인했습니다. 검증된 모든 데이터 세트는 안전하게 보관된 후 3차원 재구성 및 분석을 위해 3D 의료 영상 처리 소프트웨어로 가져올 수 있도록 준비되었습니다. 총 30명의 피험자를 선택하여 비수술 SC그룹(SCNO), 수술 SC그룹(SCO) 및 정상 대조군(그룹당 n = 10)의 3개 코호트로 균등하게 나누었습니다.
2. 3D 재건 및 랜드마크 식별
가져온 모든 데이터 세트는 3차원 미리보기와 함께 축, 시상 및 관상면에 표시되었습니다. DICOM 파일 내의 메타데이터를 통해 획득 매개변수(슬라이스 두께, 복셀 해상도 및 슬라이스 수)를 자동으로 추출할 수 있습니다. 3차원 체적 모델을 생성하기 위해 먼저 뼈 마스크를 생성한 후 Segmentation → Calculate 3D in Mimics를 선택하여 재구성했습니다. 세그멘테이션은 기본 도구 모음의 세그멘테이션 → 임계값을 통해 액세스할 수 있는 임계값 기능을 사용하여 더욱 세분화되었습니다. 뼈 정의의 가변성 또는 과도한 소음의 존재는 분할 중에 부적절한 HU(Hounsfield Unit) 범위가 적용되었을 때 관찰될 수 있습니다. 이 문제는 3D 의료 영상 소프트웨어에서 사용할 수 있는 표준 "뼈(CT)" 임계값 사전 설정을 적용하고 마스크 편집 기능을 사용하여 분할 마스크를 개선하여 아티팩트를 제외하고 구조적 연속성을 개선함으로써 해결할 수 있습니다. 이 과정을 통해 마스크에서 골 구조만 강조 표시되어 인접한 연조직을 배제하고 이미지 노이즈나 아티팩트를 줄였습니다.
해부학적 랜드마크는 측정→ 포인트 생성 아래에 있는 포인트 생성 도구를 사용하여 식별되고 표시되었습니다. 각 랜드마크에 대해 조사자는 가시성을 최적화하기 위해 3D 재구성을 회전 및 확대한 다음 한 번의 마우스 클릭으로 해부학적 부위에 직접 점을 배치했습니다. 다음과 같은 랜드마크가 기록되었습니다: sella turcica의 중간 지점에 있는 Sella(S), 전두비강 봉합사의 교차점에 있는 Nasion(N), 접형-후두 융합증에서 후두골의 전방 중간점으로 정의되는 Basion(Ba), 및 오른쪽 및 왼쪽 광대뼈 상악 봉합사(ZMR, ZML) 안와하 가장자리에서. 랜드마크 위치의 사소한 변동성은 단일 보기 관점에서 포인트를 정의할 때 발생할 수 있습니다. 정확도를 높이기 위해 최종 배치 전에 3차원 재구성을 회전하고 축, 시상 및 관상면과 상호 참조하여 각 랜드마크를 여러 시야각에서 확인했습니다. 각 랜드마크는 "측정" 목록 아래의 프로젝트 트리 내에 자동으로 저장되었습니다. 전체 랜드마크 좌표 및 레이블 세트는 측정 내보내기 기능을 사용하여 내보내져 .csv 또는 .xls 형식으로 데이터 세트를 생성했습니다. 이 랜드마크는 이후 두개골 기저부와 안면 중앙 골격의 선형 측정을 위한 기준점으로 사용되었습니다.
3. 두개골 및 안면 중앙 변수의 선형 측정
선형 두개안면 측정은 거리 측정 기능을 사용하여 3D 의료 영상 처리 소프트웨어에서 수행되었습니다. 3차원 재구성 및 랜드마크 배치 후 분석 → 측정 → 포인트 간 거리 메뉴를 통해 측정 도구에 액세스했습니다. 이 기능에서는 3D 재구성에서 두 개의 해부학적 랜드마크를 수동으로 선택했으며 소프트웨어는 선택한 좌표 사이의 유클리드 거리를 자동으로 계산하고 결과는 측정 결과 창에 표시되었습니다.
다음과 같은 선형 측정값을 얻었습니다: SN(전두개골 기저부 길이), 셀라(S)와 비침(N) 사이의 거리로 정의됨; SBa(후두개골 기저부 길이), 셀라(S)와 기저(Ba) 사이의 거리로 정의됨; NBa(총 두개골 기저부 길이), nasion(N)과 basion(Ba) 사이의 거리로 정의됨; 및 ZMR - ZML(상악 폭)은 오른쪽 광대뼈 상악 봉합사 사이의 광대뼈 간 거리로 정의됩니다. 각 측정은 정확한 포인트 배치를 보장하기 위해 필요에 따라 확대/축소 및 회전 도구를 적용하여 3D 모델에서 직접 수행되었습니다.
완료되면 측정 목록이 소프트웨어의 프로젝트 트리 내에서 자동으로 업데이트되었습니다. 전체 데이터 세트는 측정 내보내기 기능을 사용하여 내보내고 해당 선형 값과 함께 모든 랜드마크 레이블을 포함하여 .xls 형식으로 저장되었습니다. 이러한 내보낸 값은 이후 통계 분석에 사용되었습니다.
4. 회귀 모델 적용
내보낸 측정값은 추가 분석을 위해 스프레드시트 프로그램으로 가져왔습니다. Hariri-Ros-Nor 회귀 공식을 사용하여 총 두개골 기저부 길이와 상악 너비 모두에 대해 예측값을 계산했습니다. 다음 방정식이 적용되었습니다.
그런 다음 이러한 공식에서 파생된 예측값을 각 피험자에 대한 해당 측정값과 비교하여 데이터 세트의 표준 편차를 계산하여 두개골 형태의 일관성과 편차를 평가했습니다. 그런 다음 이제 데이터 세트를 통계 분석할 준비가 되었습니다.
5. 통계 분석
모든 측정값과 예측값은 단일 데이터 세트로 수집되어 통계 분석 소프트웨어를 사용하여 분석되었습니다. 기술 통계는 모든 그룹에 걸쳐 두개골 기저부 및 안면 중앙 매개변수를 요약하기 위해 먼저 계산되었습니다. 그룹 간 차이는 비모수 Mann-Whitney U 테스트를 사용하여 평가되었습니다. 또한 각 그룹 내에서 연령과 두개골 측정값 간의 관계를 평가하기 위해 Pearson 상관 분석을 수행했습니다. 통계적 해석을 지원하고 명확히 하기 위해 그룹 비교를 위한 상자 그림과 상관 관계 추세를 위한 선 그래프를 포함한 데이터의 시각적 표현이 생성되었습니다.
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결과
표 1에 따르면, 측정된 NBa 값은 모든 그룹에서 예측된 값보다 일관되게 높았으며, 수술된 증후군 두개유합증(SCO) 코호트에서 가장 큰 편차가 관찰되었습니다. 대조적으로, ZMR-ZML(상악 폭) 값은 모든 범주에서 예측보다 현저히 낮아 상당한 변동성을 보여주었습니다.
정규 코호트 내에서 Pearson 상관 분석(표 2) 및 매트릭스 산점도 분포(그림 1) 후, NBa와 ZMR-ZML 사이에 매우 강한 양의 상관관계가 확인되었으며(r = 0.992, p < 0.001), 생리학적 성장 동안 두개골 기저부 길이와 안면 중앙 너비 사이에 고도로 동기화되고 비례적인 관계가 있음을 나타냅니다. 이 거의 완벽에 가까운 연관성은 랜드마크 식별의 내부 일관성을 강조하고 정상적인 발달 조건에서 Hariri-Ros-No...
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토론
이 파일럿 연구는 정량적 두개안면 평가를 위한 예측 모델링과 랜드마크 기반 분석을 통합하는 구조화되고 재현 가능한 이미징 프로토콜을 보여줍니다. 이 프로토콜은 정확성과 재현성을 보장하기 위해 표준화된 분할, 정확한 랜드마크 배치, 일관된 측정 절차와 같은 중요한 방법론적 단계를 강조합니다. 이미지 분할 및 3차원 재구성은 뼈 조직을 분리하고 체적 모델을 생성하기 위해 일관된 임계값 매개변수를 사용하여 3D 의료 이미지 처리 소프트웨어에서 수행되었습니다. 랜드마크 배치 정확도는 확대/축소, 회전 및 다중 평면 보기 도구를 사용하여 최적화되어 측정 전에 축, 시상 및 관상면에서 각 해부학적 지점을 확인할 수 있습니다. 사전 정의된 두개골 랜드마크와 안면 중앙 랜드마크 사이의 선형 거리는 "점 간 거리" 기능을 사용하여 얻었으며 결과는 통계적 평가를 위해 자동으로 저장되고 .xls 형식으로 내보내졌습니다. 재현성은 동일한 매개변수 설정, 보정된 단일 워크스테이션 및 표준화된...
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공개 사항
저자는 선언할 경쟁 이해관계가 없습니다.
감사의 글
이 작업은 Universiti Malaya 치과학부의 Universiti Malaya Oro-Craniomaxillofacial Research and Surgery(OCReS) 그룹의 지원을 받았습니다.
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재료
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