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Accuracy of deep learning-based upper airway segmentation - 13/09/24

Doi : 10.1016/j.jormas.2024.102048 
Yağızalp Süküt a, , Ebru Yurdakurban b, Gökhan Serhat Duran c
a Department of Orthodontics, Gülhane Faculty of Dentistry, University of Health Sciences, Ankara 06010, Turkey 
b Department of Orthodontics, Faculty of Dentistry, Muğla Sıtkı Koçman University, Muğla 48000, Turkey 
c Department of Orthodontics, Faculty of Dentistry, Çanakkale 18 March University, Çanakkale 17000, Turkey 

Corresponding author.
Sous presse. Épreuves corrigées par l'auteur. Disponible en ligne depuis le Friday 13 September 2024

Abstract

Introduction

In orthodontic treatments, accurately assessing the upper airway volume and morphology is essential for proper diagnosis and planning. Cone beam computed tomography (CBCT) is used for assessing upper airway volume through manual, semi-automatic, and automatic airway segmentation methods. This study evaluates upper airway segmentation accuracy by comparing the results of an automatic model and a semi-automatic method against the gold standard manual method.

Materials and methods

An automatic segmentation model was trained using the MONAI Label framework to segment the upper airway from CBCT images. An open-source program, ITK-SNAP, was used for semi-automatic segmentation. The accuracy of both methods was evaluated against manual segmentations. Evaluation metrics included Dice Similarity Coefficient (DSC), Precision, Recall, 95% Hausdorff Distance (HD), and volumetric differences.

Results

The automatic segmentation group averaged a DSC score of 0.915±0.041, while the semi-automatic group scored 0.940±0.021, indicating clinically acceptable accuracy for both methods. Analysis of the 95% HD revealed that semi-automatic segmentation (0.997±0.585) was more accurate and closer to manual segmentation than automatic segmentation (1.447±0.674). Volumetric comparisons revealed no statistically significant differences between automatic and manual segmentation for total, oropharyngeal, and velopharyngeal airway volumes. Similarly, no significant differences were noted between the semi-automatic and manual methods across these regions.

Conclusion

It has been observed that both automatic and semi-automatic methods, which utilise open-source software, align effectively with manual segmentation. Implementing these methods can aid in decision-making by allowing faster and easier upper airway segmentation with comparable accuracy in orthodontic practice.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Artificial intelligence (AI), Convolutional neural networks (CNNs), Upper airway segmentation, Cone-beam computed tomography (CBCT)


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