口腔颌面修复研究
基于深度学习的上颌骨缺损虚拟重建与临床验证
中华口腔医学杂志, 2022,57(10) : 1029-1035. DOI: 10.3760/cma.j.cn112144-20220714-00384
摘要
目的

通过训练生成对抗网络(generative adversarial network,GAN)模型,构建一种包括跨中线上颌骨缺损的虚拟重建方法,以期为临床提供参考。

方法

收集2015年6月至2022年6月于四川大学华西口腔医院影像科就诊的汉族成年口腔疾病患者CT资料,选择100例健康上颌骨及15例上颌骨缺损(5例单纯单侧缺损、5例单侧缺损并累及颧骨、5例跨中线缺损)CT数据。应用Mimics软件在健康上颌骨数据及其附近区域创建球型模体并模拟上颌骨缺损,分别为单纯单侧缺损、单侧缺损并累及颧骨、跨中线缺损,以原始图像为虚拟重建的正确参照;人工缺损与正确参照配对后分为训练集(70例)、验证集(20例)以及测试集(10例),前两者用于训练GAN模型,测试集用于评估GAN性能。15例上颌骨缺损CT数据导入训练完成后的GAN模型中进行虚拟重建,对单侧缺损分别采取镜像和基于GAN的方式进行虚拟重建,而对跨中线缺损仅采取基于GAN的方式进行虚拟重建,重建结果分为镜像重建组(10例)、单侧缺损GAN重建组(10例)和跨中线缺损GAN重建组(5例)。对测试集、镜像重建组、单侧缺损GAN重建组进行定量评价,定量指标为Dice相似性系数(Dice similarity coefficient,DSC)和95%豪斯道夫距离(95% Hausdorff distance,HD95),对各组结果进行单因素方差分析和Tukey检验。对测试集、镜像重建组、单侧缺损GAN重建组和跨中线缺损GAN重建组进行定性评分,对各组总分进行Kruskal-Wallis检验和事后检验(Bonferroni校正法)。

结果

测试集、镜像重建组、单侧缺损GAN重建组DCS(分别为0.891±0.049、0.721±0.047、0.778±0.057)和HD95[分别为(3.58±1.51)、(5.19±1.38)、(4.51±1.10)mm]的总体差异均有统计学意义(F=28.08,P<0.001;F=3.62,P=0.041);其中,测试集DSC显著大于镜像重建组(P<0.05),测试集HD95显著小于镜像重建组(P<0.05)。测试集、镜像重建组、单侧缺损GAN重建组、跨中线缺损GAN重建组定性总分[分别为8(1)、6(2)、6(2)和4(2)分]的总体差异有统计学意义(H=18.13,P<0.001);两两比较显示,测试集总分显著高于镜像重建组(P<0.05)。

结论

本项研究提出的基于GAN的虚拟重建方法,其单侧缺损虚拟重建效果优于镜像技术,亦可实现跨中线上颌骨缺损的虚拟重建。

引用本文: 熊宇韬, 徐蕾, 曾维, 等.  基于深度学习的上颌骨缺损虚拟重建与临床验证 [J] . 中华口腔医学杂志, 2022, 57(10) : 1029-1035. DOI: 10.3760/cma.j.cn112144-20220714-00384.
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上颌骨复杂的解剖结构使其重建过程较困难,在非线性的骨骼上即使是微小的偏差也可导致不良结果1, 2, 3。在数字空间中虚拟重建得到的参考模型(即所期望的理想形态)可指导和优化上颌骨缺损重建手术4, 5。镜像技术是目前广泛应用的虚拟重建方式,基本原理为沿正中矢状面将健侧结构投射至缺损侧16,但其存在准确性不高、适用范围窄以及需手动设计等缺点。对于跨中线的上颌骨缺损,健侧结构缺如,无法通过镜像技术进行虚拟重建设计。利用深度学习进行虚拟重建可能是一种可行的方案7。但目前仍面临临床样本量小、缺损类型分布不平衡的问题。生成对抗网络(generative adversarial networks,GAN)作为一种新颖的深度学习算法,具备小样本量医学图像处理的应用潜能8, 9, 10。本项研究通过训练GAN模型,构建一种包括跨中线上颌骨缺损的虚拟重建方法,以期为临床提供参考。

 
 
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