Przedstawiamy szczegółowy protokół trójwymiarowej analizy zmian tkanek miękkich z wykorzystaniem stereofotogrametrii.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiamy szczegółowy protokół trójwymiarowej analizy zmian tkanek miękkich z wykorzystaniem stereofotogrametrii.
Ocena wpływu leczenia stomatologicznego i ortodontycznego, a także chirurgii ortognatycznej na tkanki miękkie twarzy, jest niezwykle ważna, ponieważ tego typu zabiegi mogą znacząco wpłynąć na estetykę twarzy, a tym samym na satysfakcję pacjenta. Dokładna ocena odpowiedzi tkanek miękkich twarzy jest niezbędna dla osiągnięcia optymalnych rezultatów leczenia. Trójwymiarowa (3D) stereofotogrametria to niezawodne, wolne od promieniowania, nieinwazyjne narzędzie, które może być używane do ilościowej oceny powierzchni tkanek miękkich, oferując bardzo dokładne przedstawienie struktur twarzy. Celem tego protokołu jest pokazanie metodologii, którą można wykorzystać do ilościowej oceny zmian tkanek miękkich twarzy przy użyciu stereofotogrametrii. Do demonstracji wideo użyliśmy oprogramowania do analizy obrazu 3D. Proponowany protokół obejmuje etapy przygotowania obrazu, rejestracji przestrzennej do osi 3D, wyboru i nakładania obszarów zainteresowania oraz obliczania objętości obszaru pomiędzy dwoma obrazami powierzchni tkanek miękkich uwzględnianymi w ocenie. Protokół ten został przetestowany pod kątem swojej ważności i powtarzalności i może mieć różne zastosowania zarówno w celach klinicznych, jak i badawczych.
Ocena zmian tkanek miękkich twarzy jest istotna w stomatologii, ponieważ tkanki miękkie twarzy są istotnym elementem estetyki i funkcji oraz są uważane za integralną część planowania leczenia w różnych dziedzinach stomatologii. Ocena tkanek miękkich pozwala klinicystom przewidzieć wpływ interwencji terapeutycznych – takich jak ortodoncja, protetyka czy chirurgia ortognatyczna – na wygląd twarzy i równowagę1. Poleganie wyłącznie na pomiarach szkieletu lub zębów może prowadzić do pogorszenia wyników leczenia, ponieważ osiągnięcie idealnej okluzji i/lub relacji szkieletowych nie zawsze przekłada się na zrównoważone lub pożądane zmiany tkanek miękkich twarzy 2,3.
Analiza tkanek miękkich jest niezbędna do indywidualnego planowania leczenia, ponieważ pomaga zidentyfikować podstawowe cechy twarzy, przewidywać skutki wzrostu i starzenia się oraz przewidywać, jak zabiegi stomatologiczne, ortodontyczne lub chirurgiczne zmienią kontury twarzy i wsparcie strukturalne 4,5. Zmiany w podparciu warg, wypukłości twarzy i niższej wysokości twarzy są bezpośrednio wpływane przez modyfikacje stomatologiczne i szkieletowe, a te zmiany mogą znacząco wpływać na satysfakcję pacjentów oraz postrzegany efekt estetyczny 2,4. Dokładna ocena zmian tkanek miękkich jest kluczowa dla osiągnięcia optymalnych rezultatów w strefach estetycznych, szczególnie w stomatologii implantologicznej i odtwórczej, gdzie zachowanie lub zwiększenie objętości tkanek miękkich jest niezbędne do zachowania naturalnego wyglądu i funkcji6. Nowoczesne technologie obrazowania i skanowania trójwymiarowego poprawiły precyzję i powtarzalność pomiarów tkanek miękkich, umożliwiając lepszą diagnozę, planowanie leczenia i ocenę wyników 7,8,9.
Złotym standardem oceny tkanek miękkich jest seryjne obrazowanie 3D do ilościowego określania zmian objętości tkanek miękkich, uzupełnione badaniami klinicznymi i objawami zgłaszanymi przez pacjentów10. Najdokładniejszym i najbardziej powtarzalnym podejściem jest szeregowa stereofotogrametria 3D lub laserowe skanowanie powierzchniowe, które pozwala precyzyjnie mierzyć zmiany objętości tkanek miękkich w czasie10, 11, 12. Poprzednie publikacje opisywały ilościowe metody oceny zmian tkanek miękkich twarzy w literaturze ustnej i szczękowo-twarzowej, choć zgłaszane wyniki pozostają bardzo zmienne: 10,11,12,13,14,15,16,17 . Jednak w większości poprzednich badań szczegóły dotyczące zaangażowanych kroków nie zostały uwzględnione, a powtarzalność wyników często nie jest podawana. Ponadto nie ma wideo demonstracji ręcznej części procesu, która byłaby praktycznie bardzo cenna dla klinicystów i badaczy zainteresowanych przeprowadzeniem oceny tkanek miękkich. Ta demonstracja wideo szczegółowo przedstawia metodologię przeprowadzania półautomatycznej, wysokiej dokładności i wysoce powtarzalnej oceny zmian objętościowych 3D z wykorzystaniem obrazowania powierzchni twarzy.
Protokół ten został przeprowadzony zgodnie z wytycznymi etycznymi ustanowionymi przez Instytucjonalną Radę Przeglądową Narodowych Instytutów Zdrowia (NIDCR IRB #16-D-0040). Świadoma zgoda została uzyskana od wszystkich uczestników zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez NIH IRB (NCT02639312), który pozwala na wykorzystanie fotografii twarzy 3D w publikacjach badawczych. Wszystkie obrazowania wykonywano w klinice stomatologicznej NIH z użyciem systemu obrazowania 3D18. Zobacz Tabelę materiałów , aby poznać szczegóły dotyczące oprogramowania używanego w tym protokole. Uzyskano wyraźną zgodę na wykorzystanie trójwymiarowych zdjęć twarzy używanych w tym protokole.
1. Przygotowanie obrazu
2. Rejestracja obrazów bazowych do siatki osi 3D
UWAGA: Obraz bazowy jest definiowany przez projekt badania. To zdjęcie jest referencją, na podstawie której będą rejestrowane kolejne zdjęcia poszczególnych obiektów. Symetria linii środkowej ustala się następująco:
3. Adnotacje do zabytków
UWAGA: Wybrano rejestrację opartą na zabytku tkanek miękkich zamiast metody powierzchniowej, aby lepiej uwzględnić zmienność dostępności powierzchni, która jest ograniczona jakością obrazu i ogranicza się do obszarów niedotkniętych operacją. Sekwencja adnotacji dla przełomowych powinna być taka sama dla każdego obrazu. Jeśli to możliwe, zanotuj charakterystyczny punkt charakterystyczny dla pacjenta, taki jak blizna lub pieprzyk, który znajduje się poza obszarem objętym operacją. Wybór zabytku powinien zależeć od obszaru zainteresowania dla każdej oceny.
4. Wybór obszarów zainteresowania w obrazie bazowym i pomiarze objętości
5. Rejestracja kolejnych obrazów, nakładanie obszaru zainteresowania oraz pomiar objętości
Protokół ten szczegółowo opisuje standaryzowane, powtarzalne podejście do oceny 3D zmian tkanek miękkich twarzy. Stereofotogrametria pozwala na dokładne określenie obrzęku twarzy poprzez uchwycenie zmian powierzchni w czasie. Korzystając z procesu rejestracji sterowanego przez punkty orientacyjne, obrazy pooperacyjne są wyrównywane do stabilnej bazy, co umożliwia nakładanie i porównywanie obszarów dotkniętych operacją. Obszar zainteresowania definiuje się za pomocą powtarzalnych granic anatomicznych, a odpowiadającą jej objętość oblicza się w milimetrach sześciennych (cm 3). Ponieważ każdy podmiot pełni rolę własnej wewnętrznej kontroli, objętości bezwzględne nie są bezpośrednio porównywalne między przedmiotami w tej analizie.

Rysunek 1: Demonstracja trójwymiarowego pomiaru objętościowego. Demonstracja stosowania tego protokołu do ilościowej oceny ilości obrzęku twarzy po operacji ortognat. (A) Obraz wyjściowy wykonany rok po operacji, gdy obrzęk pooperacyjny został całkowicie usunięty. Obraz został zarejestrowany na siatce osi 3D z użyciem następujących punktów anatomicznych: obustronnie przyśrodkowy i boczny canthi, głabia. z definicją zwrotu z inwestycji. (B) Obraz pooperacyjny wykonany 1 tydzień po operacji, kiedy większość pacjentów doświadcza największego obrzęku. Był rejestrowany na tej samej siatce osi, z rzutowaniem bazowego ROI na obraz. (C) Nałożenie obrazów bazowych i pooperacyjnych w celu potwierdzenia dokładności wyrównania. (D) Maski wolumetryczne generowane z ROI w obu punktach czasowych, z wynikłym pomiarem objętościowym w milimetrach sześciennych (cm 3). (E) Mapa ciepła porównująca różnice objętości między maskami; Niebieski i zielony oznaczają zwiększoną objętość, natomiast żółty i pomarańczowy oznaczają zmniejszoną objętość w porównaniu do obrazu bazowego. Jako odniesienie dołączony jest kolorowy indeks liczbowy. Dokładna różnica objętościowa między tymi dwoma maskami również jest podana jako wyjście. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Obrazowanie 3D stało się standardem opieki w dziedzinach stomatologii i chirurgii czaszkowo-twarzowej, oferując ilościowe oceny tkanek miękkicho wysokiej precyzji. Powtarzalność i dokładność rozmieszczenia punktów orientacyjnych anatomicznych na obrazach 3D zostały również potwierdzone w poprzednich badaniach19. Dlatego stereofotogrametria, czyli 3D obrazy tkanek miękkich twarzy, umożliwiają precyzyjne pomiary antropometryczne oraz obiektywną ilościową ilościową identyfikację zmian tkanek miękkich poprzez porównania obrazów podłużnych.
Wcześniejsza literatura dotycząca oceny tkanek miękkich twarzy często opisuje metody wymagające intensywnego szkolenia w specjalistycznym oprogramowaniu do analizy obrazów, łączenia różnych metod i typów oprogramowania obrazowania lub adnotacji wielu punktów orientacyjnych, co może wymagać znacznego czasu i wysiłku od użytkowników 11,13,14,20,21,22,23,24,25,26. Alternatywne oprogramowanie oferuje również nałożenie oparte na obszarach jako opcję i zostało zaimplementowane w poprzednich badaniach27. Jest to alternatywne narzędzie do nakładania miejsc, które można by użyć zamiast ręcznej adnotacji do punktów orientacyjnych. Jednak na podstawie praktycznego doświadczenia autorów po przetestowaniu obu metod w ramach retrospektywnego badania kohortowego, nałożenie oparte na kamieniu orientacyjnym było łatwiejszą i dokładniejszą opcją.
Głównym powodem było to, że nałożenie powierzchniowe było bardziej wrażliwe na drobne różnice między nałożonymi obrazami, takie jak na przykład obecność choćby pojedynczego włosa na powierzchni skóry czy precyzyjne ustawienie głowy. Jest to problem wrodzony w badaniach retrospektywnych, którego można było uniknąć stosując bardziej ustandaryzowany protokół akwizycji obrazów, jak zaleca poniżej. Niemniej jednak wcześniejsze publikacje wykorzystujące nakładanie oparte na zabytkach orientacyjnych nie zawierały stopniowych wskazówek dotyczących procesu, aby mógł być łatwo powielany przez innych klinicystów i/lub badaczy. Przedstawiamy tutaj ustandaryzowane ramy kwantyfikacji zmian objętościowych, które są już zintegrowane z istniejącym oprogramowaniem obrazującym. Jest to proste podejście do objętościowych ocen tkanek miękkich, które nie wymaga specjalistycznej wiedzy z zakresu analizy obrazów.
Niektóre z trudności technicznych, które często pojawiają się podczas nakładania obrazów powierzchni twarzy, dotyczą obecności zarostu. W zależności od długości i grubości, zarost może znacząco obniżyć dokładność badań, ponieważ powierzchnia skóry jest zasłonięta. W konsekwencji porównanie skanów, które jest wysokoczułą i ilościową oceną, będzie niewiarygodne. Dlatego zaleca się obecność bardzo minimalnego lub najlepiej żadnego zarostu twarzy przed wykonaniem 3D skanów twarzy. Włosy osoby powinny być również umieszczone z dala od twarzy, aby zapewnić wyraźny widok na twarz, czoło i uszy.
Ponadto pacjenci z wzorcami oddychania jamy ustnej lub niekompetencją warg spowodowanymi niezgodnościami szkieletowymi często mają tendencję do postawy z rozstawionymi ustami. Może to być problem podczas porównywania seryjnych skanów, zwłaszcza gdy pozycja warg nie jest jednolita. Pozycja warg powinna być powtarzalna, gdy w porównawczych ocenach objętościowych uwzględnia się dwa lub więcej skanów wykonanych w różnych punktach czasu. Na koniec, podczas pozyskiwania zdjęć należy unikać mimiki twarzy ze względów spójności i powtarzalności. Zaleca się, aby wszystkie zdjęcia wykonywane były z neutralnym wyrazem twarzy pacjenta, z zamkniętymi ustami, jeśli to możliwe, i utrzymując zęby w kontaktu w nawykowych relacjach zgryzu. Ta pozycja jest uważana za najłatwiejszą do powtórzenia w czasie.
Ponadto ważne jest, aby odpowiednio instruować uczestników, aby dokładnie wiedzieli, co mają zrobić i na czym polega proces rejestrowania obrazów. Z tego samego powodu personel zaangażowany w pozyskiwanie zdjęć powinien być ze sobą przeszkolony i kalibrowany, gdy zaangażowanych jest więcej niż jedna osoba. Może to znacząco poprawić jakość skanów, a co za tym idzie, dokładność ocen ilościowych.
Podsumowując, protokół ten stanowi praktyczny przewodnik dla przyszłych ocen klinicznych i badań mających na celu ocenę wpływu różnych rodzajów interwencji terapeutycznych na estetykę twarzy, a także postęp procesów gojenia w przypadku ocen podłużnych. Tego typu ocena może być bardzo pouczająca w różnych dziedzinach stomatologii, a szczególnie w dziedzinach stałej i usuwanej protetyki, ortodoncji oraz chirurgii ortognatycznej 28,29,30,31,32,33,34. Badania koncentrujące się na odpowiedzi tkanek miękkich na interwencje tkanek zębowych i/lub szkieletowych dostarczyłyby cennych informacji o wpływie tych różnych metod leczenia na kontur tkanek miękkich twarzy, które są kluczowym elementem ogólnego wyniku leczenia. Ponadto podłużne oceny zmian tkanek miękkich związanych ze starzeniem się mogą być równie pouczające na temat długoterminowego wpływu różnych rodzajów leczenia na profil tkanek miękkich. Informacje te mogą być w przyszłości wykorzystywane jako część spersonalizowanych metod symulacji wyników leczenia, które mogą być istotnym elementem planowania leczenia i konsultacji z pacjentem.
Autorzy nie mają żadnych konfliktów interesów do ujawnienia.
Badania te były wspierane przez Program Badań Wewnętrznych Narodowego Instytutu Badań Stomatologicznych i Czaszkowo-Twarzowych (NIDCR) Narodowych Instytutów Zdrowia (NIH).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Aparat Vectra H1 | Canfield Scientific | Nie ma | Przenośny system obrazowania 3D |
| Oprogramowanie Vectra | Canfield Scientific | Nie ma | Oprogramowanie do analizy obrazów |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie