人工智能驱动的三维颅面重叠在生长期患者临床有用治疗结果中的应用:一项多中心研究

Automated artificial intelligence-driven 3-dimensional craniofacial superimposition for clinically useful treatment outcomes in growing patients: A multicenter study

作者信息Yanjie Huang, Luc Anchling, William Ray Bates, Maxime Gillot, Juan Carlos Prieto, Tung Nguyen, Selene Barone, Felicia Miranda, Marcela Gurgel, Marilia Yatabe, Karine Evangelista, Brent E Larson, Jonas Bianchi, Antonio Carlos De Oliveira Ruellas, Lucia Cevidanes
PMID41721812
发布时间2026-06
DOI10.1016/j.ajodo.2025.12.013

实验完整度

高

该研究包含多中心外部验证,使用44个CBCT扫描,比较三种配准方法,进行分割、配准、测量和统计分析,实验设计完整。

主要模型

22名生长期II类错颌畸形患者 44个CBCT扫描(治疗前T1和治疗后T2)

重点核对

患者纳入标准:Class II磨牙关系,ANB ≥ 4.75°,SN-GoGn < 37°,颈椎骨成熟阶段2-4 治疗:使用颈拉面弓头具矫治器 配准方法:常规(ITK-SNAP切割+SlicerCMF配准)、半自动(ITK-SNAP切割+AReg配准)、全自动(AMASSS分割+AReg配准) 测量:使用AQ3DC扩展计算线性(左右、前后、上下、3D)和角度(偏航、俯仰、滚动)测量 统计:混合效应线性回归模型,95%置信区间

摘要

引言:在生长期患者中,可靠的变化量化要求明确说明用于重叠的参考体系,并将所有值解释为相对变化;然而,手动工作流程耗时且可变。本研究评估了参考明确分析的测量可靠性和工作流程效率,将全自动开源分割配准工作流程与半自动体素方法进行了比较,以用于临床有用的三维评估。方法:分析了22名II类患者在治疗前(T1)和治疗后(T2)的锥形束计算机断层扫描。使用内置定量分析进行自动分割和体素重叠。主要结局是相对于颅底、上颌骨和下颌骨区域重叠的骨骼和牙齿变化。比较了三种不同AI参与程度的配准方法——常规、半自动和全自动。采用混合效应线性回归模型评估性能。结果:骨骼和牙齿测量的一致性很高,AI驱动和常规配准方法之间观察到微小差异,所有方法显示出临床可比的精度。自动与常规工作流程之间大多数绝对平均差异在1.5毫米(线性测量)和1.5°(角度测量)以内。颅底重叠差异显示T2-T1变化的平均差异范围为-0.3至0.7毫米,而区域重叠差异显示T2-T1变化的平均差异范围为-1.7至1.1毫米。结论:自动临床医生验证的工作流程在生长期患者中产生可靠且更快的3D变化测量。解释时必须考虑用于重叠的参考区域。AI驱动的开源工具提供了实用的定量分析,以支持诊断、时机和治疗结果的评估。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
评估全自动开源分割配准工作流程在进行参考明确的3D位移测量时,与半自动体素方法相比,能否在生长期II类患者中提供一致且高效的结果?
核心机制
自动配准工作流程通过减少人工干预和标准化分割过程,提供与常规方法临床相当的测量精度,主要差异源于分割变异性。
主要证据
22名患者的多中心外部验证,比较三种配准方法的骨骼和牙齿变化,结果显示大多数绝对平均差异小于1.5毫米/度,且不同方法的变化模式相似。
研究意义
AI驱动的开源工具为3D正畸分析提供了经济高效的解决方案,支持诊断、治疗时机和治疗结果的评估,但解释时需考虑参考区域。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

患者选择和数据获取

获取符合纳入标准的生长期II类患者的治疗前和治疗后CBCT扫描

从明尼苏达大学回顾性收集22名患者,满足Class II磨牙关系、ANB ≥ 4.75°、SN-GoGn < 37°、CVM分期2-4,接受颈拉面弓头具治疗。每个患者获取T1和T2的全脸大视野CBCT扫描。

2

图像分割和配准

比较三种不同自动化程度的配准方法对CBCT图像进行参考区域分割和全样本配准

方法1(常规):用户交互使用ITK-SNAP分割参考区域,使用SlicerCMF配准;方法2(半自动):ITK-SNAP分割参考区域,使用AReg扩展进行自动配准;方法3(全自动):使用AMASSS扩展自动分割多解剖结构,使用AReg扩展自动配准。

3

颅底、上颌骨和下颌骨重叠

使用不同的参考区域进行三维重叠,以评估骨骼和牙齿的相对变化

使用颅底(前颅底)、上颌骨(上颌骨区域)和下颌骨(下颌体掩模)作为参考区域进行重叠。每个参考区域的定义依据文献。

4

标志点放置和测量

在配准后的图像上放置骨骼和牙齿标志点,并计算线性、角度和3D测量

由一位校准的检查者放置标志点,使用AQ3DC扩展计算线性测量(左右、前后、上下、3D)和角度测量(偏航、俯仰、滚动)。使用配准的变换矩阵传播相同的标志点集。

5

统计分析

比较三种配准方法之间的测量差异,并评估统计显著性

使用混合效应线性回归模型比较方法间差异,模型包含患者随机效应,时间点(T1 vs T2)和方法(常规、半自动、全自动)因素。计算差异的95%置信区间,置信区间不包括零表示显著差异。P值<0.05为显著。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
ITK-SNAP--版本4.0.1
SlicerCMF----
AMASSS----
AReg----
3D Slicer--版本5.2.2
AQ3DC----
R软件--版本4.4.2

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
患者选择和数据获取
患者纳入标准:Class II磨牙关系,ANB ≥ 4.75°,SN-GoGn < 37°,CVM 2-4,接受颈拉面弓头具治疗;排除标准:crossbite, 面部创伤史,影响生长的健康状况,既往正畸/骨科治疗,需要手术或拔牙治疗;CBCT:大视野,治疗前(T1)和治疗后(T2)
阅读提示:Methods中的患者纳入标准、排除标准和数据获取部分
图像分割和配准
配准方法:常规(ITK-SNAP 4.0.1 + SlicerCMF)、半自动(ITK-SNAP切割 + AReg)、全自动(AMASSS + AReg);软件版本:3D Slicer 5.2.2
阅读提示:Methods中的Image analysis workflow部分和Figure 2的描述
重叠参考区域
颅底参考区域(前颅底)定义;上颌骨参考区域(上颌骨)定义;下颌骨参考区域(下颌体掩模)定义
阅读提示:Methods中的Superimposition reference regions部分
标志点放置和测量
标志点定义(颅底,上颌,下颌);线性测量(左右、前后、上下、3D)和角度测量(偏航、俯仰、滚动)
阅读提示:Methods中的Image analysis workflow部分和Table II
统计分析
混合效应线性回归模型;比较:半自动 vs 常规、全自动 vs 常规、全自动 vs 半自动;显著性水平:95%置信区间,P < 0.05
阅读提示:Methods中的Statistical Analysis部分