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Enregistrement W4323822272 · doi:10.1101/2023.03.08.23287008

Application of deep learning to classify skeletal growth phase on 3D radiographs

2023· preprint· en· W4323822272 sur OpenAlexaff
Nazila Ameli, Manuel O. Lagravère, Hollis Lai

Notice bibliographique

RevuemedRxiv · 2023
Typepreprint
Langueen
DomaineDentistry
ThématiqueOrthodontics and Dentofacial Orthopedics
Établissements canadiensUniversity of Alberta
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésArtificial intelligenceConvolutional neural networkPattern recognition (psychology)Computer scienceDeep learningPhase (matter)Class (philosophy)Machine learningField (mathematics)Mathematics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Cervical vertebral maturation (CVM) is widely used to evaluate growth potential in the field of orthodontics. The aim of this study is to develop an artificial intelligence (AI) algorithm to automatically predict the CVM stages in terms of growth phases using the cone-beam computed tomographic (CBCT) images. A total of 30,016 slices obtained from 56 patients with the age range of 7-16 years were included in the dataset. After cropping the region of interest (ROI), a convolutional neural network (CNN) was built to classify the slices based on the presence of a good vision of vertebrae for classification of the growth stages. The output was used to train another model capable of categorizing the slices into phases of growth, which were defined as Phase I (prepubertal, CVM stages 1 and 2), phase II (circumpubertal, CVM stage 3), and phase III (postpubertal, CVM stages 4, 5, and 6). After training the model, 88 unused images belonging to 3 phases were used to evaluate the performance of the model using multi-class classification metrics. The average classification accuracy of the first and second CNN-based deep learning models were 96.06% and 95.79%, respectively on the validation dataset. The multi-class classification metrics applied to the new testing dataset also showed an overall accuracy of 84% for predicting the growth phase. Moreover, phase I ranked the highest accuracy in terms of F1 score (87%), followed by phase II (83%), and phase III (80%) on new images. Our proposed models could automatically detect the C2-C4 vertebrae required for CVM staging and accurately classify slices into 3 growth phases without the need for annotating the shape and configuration of vertebrae. This will result in developing a fully automatic and less complex system with reasonable performance, comparable to expert practitioners. Author Summary The skeletal age of orthodontic patients is a critical factor in planning the proper orthodontic treatment. Thus, an accurate assessment of the growth stage can result in better treatment outcomes and reduced treatment time. Traditionally, 2-D cephalometric radiographs obtained during the orthodontic examination were used for estimating the skeletal age using the three cervical vertebrae. However, this method was subjective and prone to errors as different orthodontists could interpret the features differently. Moreover, 2-D images provide only limited information as they only capture two dimensions and involve superimpositions of neighbour structures. In the present study, machine learning models are applied to 3-D cephalometric images to predict the growth stage of patients by analyzing the shape and pattern of cervical vertebrae. This method has the potential to improve treatment outcomes and reduce the treatment time for orthodontic patients. Additionally, it can contribute to the development of more personalized treatment plans and advance our understanding of the growth and development of the craniofacial complex.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,008
Score d'incertitude au seuil0,016

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,001
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,000
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,030
Tête enseignante GPT0,325
Écart entre enseignants0,295 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2023
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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