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Metric precision via soft-tissue landmarks in three-dimensional structured-light scans of human faces

Gesichtsscan mittels Streifenlichtprojektion: Studie zur Messgenauigkeit von Weichteilpunkten

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Journal of Orofacial Orthopedics / Fortschritte der Kieferorthopädie Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Objectives

The goal of the current work was to investigate the suitability of ten facial soft-tissue landmarks (trichion, glabella, nasion, left and right orbital, subnasal, left and right porion, pogonion, gnathion) as reference points for metric facial analysis by analyzing their intra- and interserial precision in all three dimensions.

Methods

The faces of 32 volunteers were scanned using a standardized protocol with a structured-light scanner (FaceSCAN3D® Scientific Photolab 60 Hz; 3D Shape, Erlangen, Germany). Three examiners placed the landmarks twice within a 2-week interval. Image processing (Onyx Ceph3®; Image Instruments; Chemnitz, Germany) and statistical (SAS 9.2®; SAS Institute, Cary, NC, USA) software was used for analysis. All measurements were corrected for mean values per patient and analyzed for intraserial and interserial error by model II ANOVA for a simple classification with random effects.

Results

Median intraserial precision was 0.40 mm (range 0.05–1.01 mm) overall, including 0.40 mm (0.33–0.85 mm) on the x-axis, 0.64 mm (0.36–0.87 mm) on the y-axis, and 0.27 mm (0.05–1.01 mm) on the z-axis. Interserial precision was substantially lower at a median of 0.05 mm (0–0.22 mm), often not statistically assessable with intraserial precision. We observed no landmark-associated differences; in particular, the medians of the bilateral landmarks orbital (intraserial: 0.40 mm; interserial: 0.02 mm) and porion (intraserial: 0.36 mm; interserial: small and not assessable) were in the middle of the range of our results. Trichion (intraserial: 0.73 mm; interserial: 0.05 mm) and gnathion (intraserial: 0.87 mm; interserial: 0.20 mm) revealed the highest degrees of intraserial measurement imprecision. Outliers were identified in 1.2 % (64 of 5400) of measurements.

Conclusion

All selected landmarks offer suitably high levels of intra- and interserial precision for the three-dimensional (3D) metric assessment of facial soft-tissue parameters. No difference between (bi)lateral and facial midline landmarks was noted.

Zusammenfassung

Ziele

Es sollten 10 Weichteilpunkte (Trichion, Glabella, Nasion, Orbitale links und rechts, Porion links und rechts, Subnasale, Pogonion, Gnathion) auf ihre Eignung als Referenzpunkte für exakte metrische Analysen untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde die intra- und interserielle Präzision hinsichtlich der 3 Raumrichtungen ermittelt.

Material und Methodik

Die Oberflächendaten der Gesichter von 32 Probanden wurden mithilfe des Geräts FaceSCAN3D® Scientific Photolab 60 Hz (3D-Shape GmbH, Erlangen, Deutschland) unter standardisierten Bedingungen erfasst. Von 3 Untersuchern wurden zu 2 unterschiedlichen Zeitpunkten Doppelmessungen im Abstand von 2 Wochen durchgeführt. Die Auswertung der Daten erfolgte unter Zuhilfenahme der Software Onyx Ceph3® (Image Instruments GmbH, Chemnitz, Deutschland). Die statistische Auswertung wurde mithilfe der Software SAS 9.2® (SAS Institute Inc., Cary, North Carolina, USA) durchgeführt. Die Messwerte wurden bezüglich der Mittelwerte korrigiert und der intra- und interserielle Fehler wurde anhand einer Modell-II-Varianzanalyse für einfache Klassifikation mit zufälligen Effekten ermittelt.

Ergebnisse

Die mediane intraserielle Präzision belief sich auf 0,40 mm (Intervall: 0,05–1,01 mm). Betrachtet man die 3 Raumrichtungen, so betrug die intraserielle Präzision 0,40 mm (0,33–0,85 mm) auf der x-Achse, 0,64 mm (0,36–0,87 mm) auf der y-Achse und 0,27 mm (0,05–1,01 mm) auf der z-Achse. Die interserielle Präzision war mit einem Median von 0,05 mm (0–0,22 mm) wesentlich geringer und häufig innerhalb der intraseriellen Präzision statistisch nicht schätzbar. Es ließen sich keine messpunktbezogenen Unterschiede nachweisen, insbesondere lagen die Mediane für die Punkte Orbitale (intraseriell: 0,40 mm, interseriell 0,02) und Porion (intraseriell: 0,36 mm, interseriell: klein, nicht schätzbar) inmitten der Ergebnisse. Die Punkte Trichion (intraseriell: 0,73 mm, interseriell: 0,05 mm) und Gnathion (intraseriell: 0,87 mm, interseriell: 0,20 mm) wiesen intraseriell die höchste Messunsicherheit auf. In 1,2 % der Messungen (64 von 5400) wurden Ausreißer festgestellt.

Schlussfolgerung

Die gewählten Messpunkte eignen sich aufgrund der hohen intra- und interseriellen Präzision für die exakte Vermessung dreidimensionaler Strukturen. Hinsichtlich der Präzision konnten keine Unterschiede zwischen Punkten in der Gesichtsmitte und bilateral vorhandenen Punkten ausgemacht werden.

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Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4

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Acknowledgments

The authors wish to thank Dr. Thomas Keller (ACOMED Statistik, Leipzig, Germany) for compiling the statistics and for his counsel regarding statistical questions. We are also indebted to 3D-Shape GmbH (Erlangen, Germany) and Image Instruments GmbH (Chemnitz, Germany) for providing hard- and software along with technical support.

Danksagung

Die Autoren möchten sich bei Herrn Dr. rer. nat. Thomas Keller (ACOMED Statistik, Leipzig, Deutschland) für die Erstellung der Statistik und Beratung bei statistischen Fragestellungen bedanken. Weiterer Dank geht an die Firmen 3D-Shape GmbH (Erlangen, Deutschland) und Image Instruments GmbH (Chemnitz, Deutschland) für die Bereitstellung von Hard- und Software sowie technische Unterstützung.

Compliance with ethical guidelines

Conflict of interest. M. Fink, J. Medelnik, K. Strobel, U. Hirschfelder, and E. Hofmann state that there are no conflicts of interest.

All studies on humans described in the present manuscript were carried out with the approval of the responsible ethics committee and in accordance with national law and the Helsinki Declaration of 1975 (in its current, revised form). Informed consent was obtained from all patients included in studies.

Consent was obtained from all patients identifiable from images or other information within the manuscript. In the case of underage patients, consent was obtained from a parent or legal guardian

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt. M. Fink, J. Medelnik, K. Strobel, U. Hirschfelder und E. Hofmann geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Alle im vorliegenden Manuskript beschriebenen Untersuchungen am Menschen wurden mit Zustimmung der zuständigen Ethik-Kommission, im Einklang mit nationalem Recht sowie gemäß der Deklaration von Helsinki von 1975 (in der aktuellen, überarbeiteten Fassung) durchgeführt. Von allen beteiligten Patienten liegt eine Einverständniserklärung vor.

Alle Patienten, die über Bildmaterial oder anderweitige Angaben innerhalb des Manuskripts zu identifizieren sind, haben hierzu ihre schriftliche Einwilligung gegeben. Im Falle von nicht mündigen Patienten liegt die Einwilligung eines Erziehungsberechtigen oder des gesetzlich bestellten Betreuers vor.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Department of Orthodontics and Orofacial Orthopedics (Zahnklinik 3 – Kieferorthopädie), University of Erlangen-Nuremberg, Glückstr. 11, 91054, Erlangen, Germany

    M. Fink, J. Medelnik, K. Strobel, U. Hirschfelder & E. Hofmann

Authors
  1. M. Fink
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  2. J. Medelnik
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  3. K. Strobel
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  4. U. Hirschfelder
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  5. E. Hofmann
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Corresponding author

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Fink, M., Medelnik, J., Strobel, K. et al. Metric precision via soft-tissue landmarks in three-dimensional structured-light scans of human faces. J Orofac Orthop 75, 133–143 (2014). https://doi.org/10.1007/s00056-013-0201-9

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00056-013-0201-9

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