《Progress in Orthodontics》：Morphological variations and differences of the mandible and midfacial skeleton across different sagittal skeletal patterns and sexes: a three-dimensional geometric morphometric analysis
编辑推荐：
摘要
背景：
颌面形态分析对于正畸诊断、治疗计划制定和疗效评估至关重要。然而，既往基于二维图像或标志点（landmark）的研究难以全面分析三维形态。因此，本研究旨在利用三维几何形态测量学（three-dimensional geometric morpho
摘要
背景：
颌面形态分析对于正畸诊断、治疗计划制定和疗效评估至关重要。然而，既往基于二维图像或标志点（landmark）的研究难以全面分析三维形态。因此，本研究旨在利用三维几何形态测量学（three-dimensional geometric morphometrics）分析下颌骨与面中部骨骼在不同矢状骨面型（sagittal skeletal pattern）及性别间的形态变异与差异，同时为正畸领域的形态分析提供新视角和新方法。
方法：
研究人员分别对面中部骨骼和下颌骨进行分析。首先构建三维密集模板（dense template），并验证模板配准的准确性。通过模板配准，所有分割后的骨骼图像（n=186）均获得了包含数万个准标志点（quasi-landmark）的同源构型。在广义普氏分析（generalized Procrustes analysis, GPA）后，研究人员进行主成分分析（principal component analysis, PCA）以考察形态变异。根据不同矢状骨面型和性别计算并比较平均骨骼形态。采用偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR）评估ANB角与性别对骨骼形态的独立效应。
结果：
PCA揭示了形态变异的主要模式。下颌骨的第一主成分（first principal component, PC1）主要显示矢状长度与下颌支间宽度的变异（占总方差的31.80%），而面中部骨骼的PC1主要显示垂直高度与颧弓间宽度的变异（占24.07%）。通过按矢状骨面型和性别分组比较平均骨骼形态，研究展示了形态学差异。PLSR表明，ANB角和性别对下颌骨与面中部骨骼的三维形态均有显著影响（均P<0.001）。具体而言，随着ANB角增大（骨性II类趋势），髁状突（含髁头和髁颈）长度减小，下颌前切迹（antegonial notch）变得更加明显，上颌牙槽骨平面向后下方旋转（顺时针方向）。与女性相比，男性表现为下颌角更加突出、颧弓间宽度增大、鼻骨桥和鼻前棘更加前突。
结论：
三维密集几何形态测量能够更全面地分析面部骨骼形态。本研究描述了下颌骨与面中部骨骼在不同矢状骨面型和性别间的三维形态变异与差异。
论文解读：基于三维密集几何形态测量的下颌骨与面中部骨骼形态分析
一、研究背景与存在问题
颌面形态分析在正畸诊断、治疗计划制定和疗效评估中具有核心地位。上颌骨与下颌骨作为构成面下部轮廓的主要骨骼结构，其形态异常与不协调不仅影响牙颌面美学，还可能损害口颌功能，并对患者的心理状态和生活质量产生负面影响。矢状骨面型描述上颌骨与下颌骨在矢状方向上的位置关系，是正畸与正颌外科诊断及治疗计划制定的常用分类依据。既往研究已发现不同矢状骨面型间存在牙槽骨形态、基骨及牙槽骨横向宽度、下颌不对称性、髁状突大小与位置等方面的差异，但这些研究多聚焦于局部特征，缺乏对下颌骨与面中部骨骼整体形态的全面分析。此外，性别二态性也是影响面部骨骼形态的重要因素。
在研究方法层面，传统研究多采用线距和角度测量，这些测量只能捕捉结构的局部特征，难以全面表征形态；传统几何形态测量学（geometric morphometrics, GMM）则受限于二维影像和稀疏解剖标志点，对于髁状突、牙槽骨等仅含少量可定义标志点的复杂结构，难以精确描述其完整形态。近年来发展的三维密集几何形态测量利用三维影像和密集同源准标志点，能够对完整解剖表面进行形态量化，并捕获传统标志点之间连续而局部的变异。然而，该方法此前尚未被系统应用于下颌骨与面中部骨骼的分析。因此，本研究旨在利用cone beam computed tomography（CBCT）来源的三维骨骼模型，结合经过验证的密集模板配准、主成分分析（principal component analysis, PCA）和偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR），全面分析下颌骨与面中部骨骼在不同矢状骨面型及性别间的三维形态变异与差异。
二、研究内容与结论
研究人员回顾性收集了186例来自北京大学口腔医学院正畸科患者的CBCT影像资料，纳入标准为年龄≥16岁、恒牙列完整且无缺牙（除外第三磨牙）、有可用的CBCT扫描；排除了先天性颅面综合征、严重面部不对称（颏点偏移≥4 mm）、严重髁突骨质缺损以及有颅面外伤、手术或正畸治疗史者。研究人员分别构建了面中部骨骼和下颌骨的密集模板，并验证了模板配准的准确性，随后通过配准使所有分割图像获得由数万个准标志点组成的同源构型。在广义普氏分析（generalized Procrustes analysis, GPA）去除位置、大小和旋转差异后，提取对称分量进行后续分析。PCA用于揭示形状变异的主要模式，平均骨骼形态按矢状骨面型和性别分组比较，PLSR用于评估ANB角（point A, Nasion, point B）和性别对骨骼形态的独立效应，同时将年龄作为潜在混杂因素纳入模型。研究结果揭示了不同矢状骨面型和性别间复杂而显著的三维形态差异，并建立了标准化形态数据集及平均骨骼形态参考模板。该论文发表于《Progress in Orthodontics》。
三、关键技术与方法
本研究采用的技术路线主要包括：基于CBCT的三维骨骼分割与表面模型重建；利用MeshMonk开源工具箱构建密集模板并进行自动非刚性配准，从而建立包含数万准标志点的同源构型；通过广义普氏分析（GPA）去除位置、大小与旋转效应并提取对称分量；采用主成分分析（PCA）提取形状变异主要模式；通过平均形状比较和置换检验（permutation test，n=10,000）评估组间差异；采用偏最小二乘回归（PLSR）并结合置换检验评估ANB角与性别对整体及局部形态的独立效应。此外，研究人员还进行了异速生长效应评估（将质心尺寸纳入模型）、敏感性分析（随机抽取80%子样本重复分析）和替代矢状向指标验证（以Beta角替代ANB角）。样本队列来源为北京大学口腔医学院正畸科186例正畸患者（骨性I类79例、骨性II类58例、骨性III类49例；男性59例，女性127例）。
四、研究结果
（一）自动识别标志点的准确性与可靠性
在验证样本中，面中部骨骼自动标志点与人工标志点平均欧氏距离为0.79 mm，下颌骨为1.05 mm，均在临床可接受的2 mm阈值以内；自动标志点重复识别的均方根距离分别为0.004 mm和0.006 mm，远小于人工标志点的观察者内及观察者间误差。这表明自动模板配准可可靠地用于定量形态学分析。
（二）下颌骨形态分析
PCA结果显示，下颌骨PC1（占总方差31.80%）主要描述矢状长度减小、颏部后缩和下颌支间宽度增大；PC2（18.00%）描述下颌支-下颌体角度增大；PC3（8.75%）描述下颌体体积增大、冠突向上突出和髁状突向下移位；PC4（6.50%）主要描述下颌角突出和下颌体下部宽度增大。与骨性I类相比，骨性III类表现为下颌支间宽度较小、髁状突长度增加和下颌体厚度减小（P<0.001）；骨性II类则表现为下颌角和下颌前切迹更突出、髁状突长度减小（P<0.001）。男性较女性下颌角更突出、下颌前切迹更深、髁间宽度较小且颞嵴（crista temporalis）更明显（P<0.001）。PLSR显示，在控制性别和年龄效应后，ANB角独立解释下颌骨总形状变异的14.5%（Partial R2=0.145，P<0.001），局部效应在髁状突和颏部最为显著；在控制ANB角和年龄后，性别独立解释总形状变异的2.1%（Partial R2=0.021，P<0.001），局部效应以下颌支、颞嵴和下颌角区域较突出。
（三）面中部骨骼形态分析
PCA结果显示，面中部骨骼PC1（占24.07%）主要描述垂直高度减小和颧弓间宽度增大；PC2（12.90%）描述矢状长度增加；PC3（9.91%）描述鼻骨桥、眶下缘和鼻前棘向前上方突出；PC4（8.85%）主要描述牙槽骨后缩伴上颌窦体和颧骨体积增大。骨性II类较骨性I类最显著的特征为前部牙槽骨高度增加和牙槽骨平面侧貌顺时针旋转（P=0.002）；骨性I类与骨性III类间平均形态差异未达统计学显著（P=0.138）。男性较女性颧弓间距离更宽、鼻骨桥和鼻前棘更前突（P<0.001）。PLSR显示，在控制性别和年龄后，ANB角独立解释面中部骨骼总形状变异的2.4%（Partial R2=0.024，P<0.001），局部效应以前部牙槽骨区域最显著；性别独立解释总形状变异的2.8%（Partial R2=0.028，P<0.001），局部效应在颧骨区和鼻骨桥、鼻前棘区域较显著。
（四）异速生长效应评估
将质心尺寸（centroid size, CS）额外纳入PLSR模型后，下颌骨和面中部骨骼的ANB相关形状模式仍保持高度一致（余弦相似度分别为0.984和0.999）。对于下颌骨，性别相关回归向量在CS调整后一致性较低（余弦相似度为0.641），Partial R2从2.1%降至1.0%且不再显著（P=0.074），提示性别相关下颌骨形态变异受异速生长影响较强；面中部骨骼的性别相关模式基本保持（余弦相似度为0.790），且仍显著（P=0.001），但Partial R2从2.8%降至2.0%。CS对下颌骨和面中部骨骼形状均有独立解释作用（Partial R2分别为0.019和0.018）。
（五）敏感性分析
从总体中随机抽取80%样本（n=148）重复全部分析，各子样本与全样本在统计指标、PC1方向和PLSR回归向量方向上均表现出良好一致性，支持样本量足以支撑上述形状分析。以Beta角作为替代性矢状向指标时，下颌骨ANB与Beta相关形状模式高度一致（余弦相似度=0.986），面中部骨骼也基本一致（余弦相似度=0.900），主要局部差异位于鼻骨桥区域。
五、总结讨论与结论
本研究创造性地将三维密集几何形态测量应用于较大样本的下颌骨与面中部骨骼形态分析，识别了这两种骨骼结构的主要形状变异模式，并系统描述了其在不同矢状骨面型和性别间的三维形态差异。研究发现，ANB角与下颌骨整体形状变异的主模式高度相关（解释14.5%的总变异），而在面中部骨骼中主要解释较为局部的形状变异（2.4%），提示下颌骨矢状形态在骨性矢状关系判定中起更主导的作用。性别仅解释约2%~3%的总形状变异，但局部效应仍具有生物学和临床意义。异速生长评估显示，ANB相关的下颌骨和面中部骨骼形态模式对尺寸调整均较为稳健，而男性-女性下颌骨形态差异在很大程度上受异速生长影响。该研究建立的标准化形态数据集和按矢状骨面型及性别分层的平均骨骼形态，可作为识别骨骼异常的参考模板，辅助正畸治疗计划制定及正颌手术规划。局限性方面，研究样本为单中心正畸人群，结果外推需谨慎；ANB角受Nasion前后位置和面部旋转影响，相关形状模式应被解释为与ANB角关联的形态变异而非纯粹的矢状颌骨关系差异；距牙列的排除也使得牙槽骨形态只能反映骨骼性牙槽形态，而非直接的牙代偿证据。未来应建立年龄特异性和纵向参考模板，并在更大规模、多中心及更多样化的人群中验证。
研究结论：（1）在正畸人群中，下颌骨形状的主要变异模式（PC1）主要显示矢状长度与下颌支间宽度变异，而面中部骨骼PC1主要显示垂直高度与颧弓间宽度变异。（2）下颌骨与面中部骨骼在不同矢状骨面型间表现出复杂而显著的三维形态差异；具体而言，随ANB角增大，髁状突长度减小，下颌前切迹更明显，上颌牙槽骨平面向后下方旋转（顺时针方向）。（3）与女性相比，男性表现出更突出的下颌角、增大的颧弓间宽度以及更前突的鼻骨桥和鼻前棘。（4）三维密集几何形态测量能够更全面地分析面部骨骼形态；本研究建立了不同矢状骨面型和性别下的标准化形态数据集和平均骨骼形态，可作为识别骨骼异常的参考依据。
