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正確な中面計算による頭蓋顔面非対称性の早期3D診断に向けて.PCAをベースとした手法
Towards an early 3D-diagnosis of craniofacial asymmetry by computing the accurate midplane: A PCA-based method.
PMID: 32092615 DOI: 10.1016/j.cmpb.2020.105397.
抄録
背景と目的:
頭蓋顔面非対称性は、片側咀嚼が原因で起こることが多い成長障害である。早期に矯正治療を行えば、後々の外科的処置を避けることができますが、正確な矢状正中面の定義が不明瞭であることは、誤診の原因となり、不正確な矯正治療計画につながる可能性があります。本研究は、片側交差咬合（UXB）を有する小児の頭蓋顔面複合奇形を3次元的に診断することを目的としており、非対称な形態を補正する正中面を考慮している。
BACKGROUND AND OBJECTIVE: Craniofacial asymmetry is a common growth disorder often caused by unilateral chewing. Although an early orthodontic treatment would avoid surgical procedures later in life, the uncertainty of defining the accurate sagittal midplane potentially leads to misdiagnosis and therefore inaccurate orthodontic treatment plans. This novel study aims to 3D-diagnose craniofacial complex malformations in children with unilateral crossbite (UXB) considering a midplane which compensates the asymmetric morphology.
方法:
UXBを呈した15名の小児20名の矢状体正中面を，コーンビームCTデータから得られた3次元モデルをミラーリングして非対称性を補正するPCAベースの手法で計算した．一旦決定されたデータの片側は、計算された中面を用いてミラーリングされ、両方の半分の間の距離を3D計算することにより、硬組織と軟組織上の奇形を可視化しました。さらに、31個の頭蓋骨のランドマークを手動で各モデルに配置し、それぞれPCAおよびMann-Whitney U検定分析を通じて、主変動モードとUXBを持つ被験者と持たない被験者のグループの有意差を研究した。
METHODS: The sagittal midplane of 20 children, fifteen of whom exhibited UXB, was computed by a PCA-based method which compensates the asymmetry mirroring the 3D models obtained from cone-beam computed tomography data. Once determined, one side of the data was mirrored using the computed midplane to visualize the malformations on the hard and soft tissues by 3D-computing the distances between both halves. Additionally, 31 skull's landmarks were manually placed in each model to study the principal variation modes and the significant differences in the group of subjects with and without UXB through PCA and Mann-Whitney U test analyses respectively.
結果:
形態学的3D解析では、下顎または上顎に非対称性の初期徴候がはっきりと認められる一方で、頭蓋顔面系全体で重度の非対称性（顎の偏差>0.8"Zs_202F"mm）を有する患者の顕著な奇形と審美的意味合いが示されました。例えば、下顎顔面長(0.0086)、上顎口蓋幅(0.0481)、コンディラーヘッド幅(0.0408)では、有意な(p"Zs_A0"<"Zs_A0"0.05)奇形が検出されました。顎顔面奇形は、対照群と比較してUXB患者群のランドマークの変動を増加させ、サンプルの変動の99%を定義するために8つの変動モードを必要としました。
RESULTS: Morphological 3D-analysis showed pronounced deformities and aesthetic implications for patients with severe asymmetry (jaw deviation > 0.8 mm) in whole craniofacial system, while initial signs of asymmetry were found indistinctly in the mandible or maxilla. We detected significant (p < 0.05) malformations for example in mandibular ramus length (0.0086), maxillary palate width (0.0481) and condylar head width (0.0408). Craniofacial malformations increased the landmarks' variability in the group of patients with UXB over the control group requiring 8 variation modes more to define 99% of the sample' variability.
結論:
本研究では、頭蓋顔面非対称性の早期診断のために、個人の非対称な形態を補正する正確な矢状中面を計算することが可能であることを明らかにしました。さらに、本研究は、これまでの臨床研究で得られたいくつかの経験的知見をもとに、UXBに起因する頭蓋顔面変形の判定に重要な計算機的知見を提供するものである。したがって、この計算アプローチは、頭蓋顔面手術における新しいソフトウェアの開発や、生物医学的研究や臨床での使用に役立つ可能性があります。
CONCLUSIONS: Our findings demonstrated the viability of early diagnosis of craniofacial asymmetry through computing the accurate sagittal midplane which compensates the individual's asymmetrical morphology. Furthermore, this study provides important computational insights into the determination of craniofacial deformities which are caused by UXB, following some empirical findings of previous clinical studies. Hence, this computational approach can be useful for the development of new software in craniofacial surgery or for its use in biomedical research and clinical practice.
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