مقدمه
یکی از روشهایی که به تازگی برای بررسی ساختار یکبافت، با درجات مختلف موفقیت، معرفی شده است فراکتال آنالیز میباشد (1-4). این روش برای اندازهگیری مشخصات ساختارهای هندسی با اشکال مشابه و تکرار شونده استفاده میشود. یکی از متدهای این روش، اندازهگیریFractal Dimension (F.D) میباشد محاسبه میزان فرکتال دایمنشن بهمنظور بررسی ساختار تصویر رایج میباشد. فرکتال دایمنشن روشی کمی برای نشان دادن پیچیدگی ساختار با استفاده از یک عدد است و جسم با فرکتال دایمنشن بیشتر، پیچیدهتر از جسم با F.D کمتر است (5،6،7). برخی مطالعات نشان دادهاند که استفاده از تکنیکهای رادیوگرافی متفاوت میتواند قابلیت اطمینان آنالیز فراکتال را کاهش دهد و نمیتوان نتایج حاصل از این مقالات را با هم مقایسه کرد (11-7). محاسبه F.D در تصاویر پریاپیکال بهعلت وضوح بالا و نشان دادن ترابکولهای ظریف نسبت به رادیوگرافی پانورامیک نتایج قابل اطمینانتری خواهد داد (12). بسیاری از محققین روش F.D را بهعنوان یک روش حساس در توصیف ساختارهای ترابکولار استخوانی پیشنهاد کردهاند (۷،۱۰). امروزه با معرفی سیستمهای دیجیتال دندانی نیاز به دیجیتالی کردن تصاویر برای این روش از بین رفته و منجر بهسهولت کار شده است (13). محاسبهF.D در بررسی موفقیت جراحی ایمپلنت (14)، درمان ریشه (15)، جراحیهای استخوان فک (16)، درمانهای پریو (17)، تشخیص استئوپروز (18) و بهکار میرود. مطالعات مختلفی کاربرد F.D را در بررسی استخوان اسفنجی گزارش کردهاند (19 ،7 ،5). تکنیکهای مختلفی برای تخمین F.D یک جسم سه بعدی معرفی شده است. از جمله: روش فیزیکال و روش آنالیتیکال (20). در تکنیکهای آنالایتیکال روشهای مختلفی برای محاسبه فراکتال مرزهای یک جسم سه بعدی معرفی شده است.از جمله روش box_countingکه بهعلت سهولت کاربرد و محاسبه خودکار مناسبترین روش میباشد. در این روش پس از اعمال فیلترهایی بر روی تصویر جسم مورد نظر یکگرید بر روی تصویر قرار گرفته و تعداد خانههای اشغال شده توسط جسم بهصورت F.D محاسبه میشود (20). کاربرد این روش در رادیوگرافی در مطالعات مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است (20،21،22). اخیراً در مطالعهای حساسیت بالای F.D در نمایش دمینرالیزاسیونهای اندک اثبات شده است، ولی شرایط استانداردی برای اخذ رادیوگرافیها بهمنظور مقایسه با یکدیگر معرفی نشده است(21). هدف از این مطالعه تعیین چگونگی تاثیرپذیری مقادیر F.D از تغییرات در شدت اکسپوژر، ولتاژ تیوب و زاویه اشعه ایکس در تصاویر پریاپیکال میباشد. این روش میتواند بهعنوان ابزاری در دندانپزشکی جهت بررسی ساختار استخوان اسفنجی و تغییرات در شرایط پاتولوژیک مختلف بهکار رود .
روش بررسی
در این مطالعه تحلیلی که به روش Lab_Trial انجام شد، تعداد 10 نمونه فک پایین انسانی خشک سالم و بدون شکستگی مورد بررسی قرار گرفت.از این نمونهها رادیوگرافیهای پریاپیکال با تغییرات مورد نظر در زاویه تیوب و شرایط اکسپوژر به عمل آمد. در ابتدا موقعیت گیرنده تصویر و ناحیه مورد نظر را توسط دستگاه نگهدارنده فیلم (xcp) تثبیت نمودیم و بهمنظور عدم تغییر در بزرگنمایی و وضوح تصویر، تمام رادیوگرافیها در فاصله یکسان منبع تا جسم (SSD ثابت) 12 اینچ تهیه شد. گیرنده تصویر، فسفر پلیتExpress (Planmeca،Finland) دارای 886*1171 پیکسل، 14 bit depth (16384 سایه خاکستری) و سایز هر پیکسل 35 میکرون و با وضوح 14 جفت خط بر میلیمتر بود. تصاویر دیجیتال پریاپیکال توسط دستگاه پریاپیکال Focus)Planmeca،Finland) با زمان ثابت 2 میلیثانیه و با تغییرات شرایط اکسپوژر و زاویه تیوب اخذ شد. به این صورت که ابتدا رادیوگرافیهای پریاپیکال در 2 کیلو ولتاژ kVp60 وkVp70، 2 میلیآمپر مختلف mA 400 و Ma500 و همچنین 3 زاویه تیوب 5+ ،0 ، 5- اخذ شد. ولتاژها و میلیآمپرهای انتخابی در طیف مقادیر پیشنهادشده توسط کارخانه سازنده دستگاه پریاپیکال جهت انجام رادیوگرافی مطلوب بود. تغییر زاویه عمودی تیوب با استناد به درجهبندی مندرج بر روی تیوب بهصورت صفر، ۵ درجه مثبت و 5 درجه منفی انجام گرفت. در تمام رادیوگرافیها موقعیت گیرنده تصویر و دندان و زاویه افقی تیوب ثابت بود. در نهایت 120رادیوگرافی باشرایط کیلو ولتاژ، میلیآمپر و زاویه مختلف به دست آمد و اطلاعات در فرم از پیش آماده شده (جدول 1) ثبت شد.
جدول ۱: فرم ثبت نتایج به دست آمده برای فراکتال دایمنشن
تصاویر رادیوگرافی با فرمت JPEGو ۱۴ بیت در کامپیوتر ذخیره شد و محاسبه F.D با استفاده از نرمافزار Fiji (image j .nih.gov/ij) و روش Box counting انجام گرفت. بدین منظور ابتدا از قسمت File تصویر را باز کرده (تصویرA) و ROI مشخص شده را انتخاب و با گزینه Crop در قسمت Image آن قسمت از تصویر جدا شد (تصویر B). سپس از قسمت Process بخش Filters گزینهGaussian Blur انتخاب شده (تصویرC) و مجدداً از قسمت Process بخش Math گزینه Subtract انتخاب شد(تصویرD). در مرحله بعدی از قسمت Process و بخش Math گزینه Add انتخاب و با gray scale value =۱۲۸ تغییرات لازم جهت محاسبه انجام گرفت(تصویرE). مجدداً از قسمت Process بخش Binary گزینه Make Binary انتخاب شده (تصویرF) و مجدداً از قسمت Process بخش Binary گزینه Erode انتخاب شد(تصویرG). سپس از قسمت Processبخش Binary گزینه Dilate انتخاب شده (تصویرH) و سپس از قسمت Process بخش Binary گزینه Skeletonize را انتخاب و تصویر برای محاسبه فرکتال دایمنشن آماده شد (تصویرI). جهت محاسبه میزان فرکتال دایمنشن بهروش Box-Counting از قسمت Analyze بخش Tools گزینه Fractal Box Count انتخاب شد و عدد بهدست آمده در فرم از پیش آماده شده ثبت شد.
تجزیه و تحلیل آماری
دادهها پس از جمعآوری و کنترل به محیط نرمافزار SPSS version 16 وارد شد، جداول و شاخصهای مورد نیاز تهیه و جهت مقایسات آماری از آزمون کولموگراف اسمیرنف و mannwhitney test و آنالیز واریانس چندطرفه و جهت مقایسات دوتایی از روششفه استفاده شد.
ملاحظات اخلاقی
پروپوزال این تحقیق مورد تایید دانشگاه علوم پزشکی شهید صوقی یزدقرار گرفته است. (کد اخلاق: (IR.SSU.REC.1395.163.
نتایج
در این مطالعه که با هدف بررسی تاثیر شرایط اکسپوژر و ژئومتری بر مقدار محاسبه شده فراکتال دایمنشن در استخوان مندیبل صورت گرفته است تعداد 120 رادیوگرافی پریاپیکال که از 10 نمونه خشک فک پایین انسانی گرفته شده بود مورد بررسی قرار گرفت. در بررسی مقایسه میانگین فراکتال بر حسب کیلو ولتاژ60 و 70 در 2 مورد میانگین فراکتال در ولتاژ 60 بیشتر از ولتاژ 70 بود در بقیه موارد میانگین فراکتال در ولتاژ 70 بیشتر از 60 بود. در بین ولتاژهای 60و 70 در تمام 10 مندیبل p>0/05 در نتیجه هیچ تفاوت معناداری وجود نداشت(جدول2). در مقایسه میانگین فرکتال برحسب آمپرهای 400 و 500 میلیآمپر فقط در 3 مورد میانگین فرکتال در 400 میلیآمپر بیشتر بود و در بقیه موارد میانگین فراکتال در 500 میلیآمپر بیشتر بود. در بین آمپرهای 400 و 500 میلیآمپر از بین10 مندیبل، در 9 مندیبل p>0/05 بود و فقط در یک مورد p<0/05 بود در نتیجه تفاوت معناداری بین آمپرهای 400 و 500 میلیآمپر وجود نداشت (جدول 3). در مقایسه میانگین فرکتال بین زوایای 5-، 0، 5+ در 5 مورد میانگین فراکتال در زاویه ۰ درجه بیشتر از بقیه موارد بود در3 مورد میانگین فرکتال در زاویه 5- بیشتر از بقیه موارد بود و در2 مورد میانگین فراکتال در زاویه 5+ بیشتر از بقیه موارد است.در تمام 10 مندیبل p>0/05 بود در نتیجه تفاوت معناداری بین زوایای 5-، 0، 5+ وجود نداشت (جدول 4).
جدول ۲ : مقایسه میانگین فراکتال دایمنشن و انحراف معیار در ولتاژهای 60 و 70 کیلو ولت
جدول ۳: مقایسه میانگین فراکتال دایمنشنو انحراف معیار در آمپرهای 400 و 500 میلیآمپر
جدول۴ : مقایسه میانگین فراکتال دایمنشن و انحراف معیار در زوایای -5 و 0 و 5 درجه
بحث
آنالیز فرکتال بهروش فرکتال دایمنشن به تازگی بهعنوان ابزاری جهت بررسی وضعیت استخوانی مورد استفاده قرار میگیرد و در دندانپزشکی کاربردهای متعددی در بررسی تغییرات استخوان اسفنجی فکین یافته است ولی به علت استفاده از روشهای مختلف اندازهگیری آن و همچنین تفاوت در مناطق مورد بررسی، مقایسه نتایج با دشواری مواجه میباشد و شرایط استانداردی برای اخذ رادیوگرافیها بهمنظور مقایسه با یکدیگر معرفی نشده است (23،24). تا کنون مطالعاتی محدودی بهمنظور تاثیر عوامل اکسپوژر و ژئومتری بر میزان فرکتال دایمنشن انجام گرفته است. بر اساس نتایج بهدست آمده در این مطالعه با تغییر کیلوولتاژ از 60 به 70، تغییر میلیآمپر از 400 به 500 و همچنین در زوایای تیوب 5-، 0 ، 5+ درجه تغییر معناداری در میزان فرکتال دایمنشن محاسبه شده به روش box-counting مشاهده نشد. در مطالعه Jolley L و همکاران میزان فرکتال دایمنشن محاسبه شده در رادیوگرافی پری اپیکال تهیه شده با زوایا، توان و ایمپالسهای مختلف از ناحیه انسیزورهای ماگزیلا تاثیر معناداری بر میزان فرکتال دایمنشن مشاهده نشد که با نتایج مطالعه حاضر که عدم تاثیرپذیری این میزان از کیلو ولتاژ، زاویه و میلیآمپر را گزارش میکند همخوانی دارد و این علت مشابهت میتواند انجام هر 5 مطالعه بر روی جمجمههای خشک شده انسانی و قرارگیری میزان ولتاژ و زاویه تیوب برای اخذ تصاویر مطالعه حاضر در محدوده مقادیر به کار رفته در این مطالعه باشد (25).
در مطالعه G. Baksi و همکاران تاثیر دو روش تراکم تصویری jpeg و jpeg2000 در 10 رادیوگرافی پری اپیکال از ناحیه خلف در سطوح تراکم 10، 30، 50 ،70 و90 مقایسه شد و با کاهش سطح تراکم کاهش تدریجی در میزان فراکتال دایمنشن مشاهده شد، با توجه به سطح تراکم یکسان رادیوگرافیهای بررسی شده در این مطالعه مقایسه این نتایج با مطالعه حاضر مقدور نمیباشد (26). G. Baksi و همکاران که با رادیوگرافیهای پری اپیکال توسط سیستم spp انجام گرفت، فرکتال دایمنشن بهدست آمده در تمام زمانهای اکسپوژر سوپر رزولوشن نسبت به رزولوشن بالا بیشتر بود، همچنین رادیوگرافیهای تهیه شده با زمان اکسپوژر0/05 فرکتال دایمنشن بالاتری نسبت به زمانهای0/12 و 0/30 ثانیه داشتند ولی تفاوت معناداری بین زمانهای 0/12 و 0/30 ثانیه در میزان فرکتال دیده نشد. در مطالعه حاضر بهمنظور حذف اثر این 2 عامل بر میزان فرکتال دایمنشن تمام رادیوگرافیها با زمان اکسپوژر 2 میلی ثانیه و در رزولوشن یکسان اخذ شدند (13). در مطالعه M. Amer و همکاران رادیو گرافیهای پری اپیکال در قسمتهای مختلف هر 2 فک بیماران بررسی شد و تفاوت معناداری بین گروههای سنی، جنسی مختلف و نواحی فکین گزارش نشد. همچنین در تمام نواحی به جز در ناحیه مولار فک بالا ارتباط مشخصی بین فرکتال دایمنشن و شمارش اجزا مشاهده شد. با توجه به انجام این مطالعه در جمجمههای خشک شده انسانی و نامعلوم بودن سن و جنسیت آنها این عوامل در مطالعه حاضر مورد بررسی قرار نگرفتند (27). با توجه نتایج بهدست آمده در این مطالعه میتوان تغییرات میزان فرکتال دایمنشن در شرایط پاتولوژیک بدون نیاز به استاندارد سازی شرایط اکسپوژر و ژئومتری به سهولت انجام داد.
نتیجهگیری
با توجه به عدم تاثیرپذیری میزان فرکتال دایمنشن محاسبه شده از کیلوولتاژ، میلیآمپر و زاویه تیوب این روش میتواند بهعنوان ابزاری مفید در دندانپزشکی جهت بررسی ساختار استخوان اسفنجی و تغییرات در شرایط پاتولوژیک مختلف به کار رود و استاندارد سازی روش تصویر برداری پری اپیکال به منظور مقایسه الزامی نمیباشد. از آنجاییکه این مطالعه به صورت invitro انجام شد، انجام مطالعه مشابه در نمونههای زنده انسانی و همچنین استفاده از نرم افزارهای پیشرفتهتر در محاسبه فرکتال دایمنشن پیشنهاد می گردد. مقایسه میزان فرکتال دایمنشن نواحی مختلف در رادیوگرافیهای پانورامیک دندانی با رادیوگرافیهای پری اپیکال همان نواحی و مقایسه میزان فرکتال دایمنشن در سنسورهای دیجیتال مختلف با تصاویر دیجیتال تهیه شده از رادیوگرافی پری اپیکال معمولی توصیه میشود. ارزیابی تاثیر عوامل اکسپوژر و ژئومتری بر میزان فرکتال دایمنشن در شرایط پاتولوژیک مختلف پیشنهاد شده که میتواند کارآمد باشد.
سپاسگزاری
این پژوهش منتج از پایاننامه دکترای عمومی میباشد.
حامی مالی: ندارد.
تعارض در منافع: تعارض منافع وجود ندارد
References
1-Mandelbrot BB. The Fractal Geometry of Nature/Revised and Enlarged Edition. New York: WH Freeman and Co 1983; 495.
2-Wu CM, Chen YC, Hsieh KS. Texture Features for Classification of Ultrasonic Liver Images. In IEEE Transactions on Medical Imaging 1992; 11(2): 141-52.
3-Caldwell CB, Stapleton SJ, Holdsworth DW, Jong RA, Weiser WJ, Cooke G, et al. Characterisation of Mammographic Parenchymal Pattern by Fractal Dimension. Physics in Med Biol 1990; 35(2): 235.
4-Lynch JA, Hawkes DJ, Buckland-Wright JC. Analysis of Texture in Macroradiographs of Osteoarthritic Knees, Using the Fractal Signature. Physics in Medicine and Biology 1991; 36(6): 709.
5-Ruttimann UE, Webber RL, Hazelrig JB. Fractal Dimension from Radiographs of Peridental Alveolar Bone: A Possible Diagnostic Indicator of Osteoporosis. Oral Surgery, Oral Medicine, and Oral Pathology 1992; 74(1): 98-110.
6-Chen JI, Zheng B, Chang YH, Shaw CC, Towers JD, Gur D. Fractal Analysis of Trabecular Patterns in Projection Radiographs: An Assessment. Investigative Radiology 1994; 29(6): 624-9.
7-Shrout M, Hildebolt C, Potter B. The Effect of Varying the Region of Interest on Calculations of Fractal Index. Dentomaxillofacial Radiology 1997; 26(5): 295-8.
8-Mandelbrot BB. How long is the Coast of Britain? Science 1967; 156: 636-8.
9-Smith TG, Lange GD, Marks WB. Fractal Methods and Results in Cellular Morphology-Imensions, Lacunarity and Multifractals. J Neuroscience Methods 1996; 69(2): 123-36.
10-Geraets W, Van Der Stelt PF. Fractal Properties of Bone. Dentomaxillofacial Radiology 2000; 29(3):144-53.
11-Lopes R, Betrouni N. Fractal and Multifractal Analysis: A Review. Medical Image Analysis 2009; 13(4): 634-49.
12-Bollen AM, Taguchi A, Hujoel PP, Hollender LG. Fractal Dimension on Dental Radiographs. Dentomaxillofacial Radiology 2001; 30(5): 270-5.
13-Baksi BG, Fidler A. Image Resolution and Exposure Time of Digital Radiographs Affects Fractal Dimension of Periapical Bone. Clinical Oral Investigations 2012; 16(5): 1507-10.
14-Jung YH. Evaluation of Peri-Implant Bone Using Fractal Analysis. Korean J Oral and Maxillofacial Radiology 2005; 35(3): 121-5.
15-Chen SK, Oviir T, Lin CH, Leu LJ, Cho BH, Hollender L. Digital Imaging Analysis with Mathematical Morphology and Fractal Dimension for Evaluation of Periapical Lesions Following Endodontic Treatment. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, Oral Radiology, and Endodontology 2005; 100(4): 467-72.
16-Park HJ, Jung YH, Cho BH. Bone Changes after Bilateral Sagittal Split Osteotomy for Mandibular Prognathism. Imaging Sci Dentistry 2006; 36(4): 183-8.
17-Lane N, Armitage GC, Loomer P, Hsieh S, Majumdar S, Wang HY, et al. Bisphosphonate Therapy Improves the Outcome of Conventional Periodontal Treatment: Results of a 12-Month, Randomized, Placebo-Controlled Study. J Periodontology 2005; 76(7): 1113-22.
18-Havlin S, Buldyrev SV, Goldberger AL, Mantegna RN, Ossadnik SM, Peng CK, et al. Fractals in Biology and Medicine. Chaos, Solitons & Fractals 1995; 6: 171-201.
19-Majumdars, Weinstein RS, Prasad RR. Application of Fractal Geometry Techniques to the Study of Trabecular Bone. Medical Physics 1993; 20(6): 1611-19.
20-Lee KI, Choi SC, Park TW, You DS. Fractal Dimension Calculated from two Types of Region of Interest. Dentomaxillofacial Radiology 1999; 28(5): 284-9.
21-Soğur E, Baksı BG, Gröndahl HG, Şenbh BH. Pixel Intensity and Fractal Dimension of Periapical Lesions Visually Indiscernible in Radiographs. J Endodontics 2013; 39(1): 16-9.
22-Southard TE, Southard KA, Jakobsen JR, Hillis SL, Najim CA. Fractal Dimension in Radiographic Analysis of Alveolar Process Bone. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, Oral Radiology, and Endodontology 1996; 82(5): 569-76.
23-Sánchez I, Uzcátegui G. Fractals in Dentistry. J Dent 2011; 39(4): 273-92.
24-Ruttimann U, Ship J, Editors. The Use of Fractal Geometry to Quantitate Bone-Structure from Radiographs. J Dental Research; 1990; 69: 287 Amer Assoc Dental Research 1619 Duke St, Alexandria, Va 22314.
25-Jolley L, Majumdar S, Kapila S. Technical Factors in Fractal Analysis of Periapical Radiographs. Dentomaxillofacial Radiology 2006; 35(6): 393-7.
26-Baksi BG, Fidler A. Fractal Analysis of Periapical Bone from Lossy Compressed Radiographs: A Comparison of two Lossy Compression Methods. J Digital Imaging 2011; 24(6): 993-8.
27-Amer ME, Heo MS, Brooks SL, Benavides E. Anatomical Variations of Trabecular Bone Structure in Intraoral Radiographs Using Fractal and Particles Count Analyses. Imaging Sci Dent 2012; 42(1): 5-12.