使用Kvaal方法和机器学习,通过CBCT(计算机断层扫描)技术提高成人牙齿年龄的估算精度

时间:2026年3月29日
来源:Forensic Science International

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本研究利用锥形束CT结合Kvaal方法及随机森林、极端梯度提升树等机器学习模型,对400名北方中国人的CBCT影像进行分析,发现机器学习模型在多数牙位可将年龄估计误差降低15-25%,其中男性上颌第二磨牙(MAE 6.72年)和女性下颌侧切牙(MAE 7.18年)表现最佳,验证了三维影像与机器学习结合在成人年龄估计中的潜力,但需跨群体验证。

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Jiachen Ren|Junyi Wu|Wangyue Dai|Xiaorui Zhan|Xiao Li|Junshang Wei|Yuhui Shi|Yuxin Guo|Yucheng Guo|Haotian Meng
陕西省颅面精准医学研究重点实验室,西安交通大学口腔医学院,中国陕西省西安市西五路98号,邮编710004

摘要

在法医实践中,准确估计成人的年龄仍然具有挑战性。本研究旨在通过使用Kvaal方法和结合锥形束计算机断层扫描(CBCT)的机器学习来改进牙齿年龄的估计。分析了400名21至70岁北方中国人的CBCT扫描数据,并测量了选定牙齿的Kvaal指数。作为基线方法,开发了针对性别的多元线性回归模型,并将其与两种机器学习回归器(随机森林RF和极端梯度提升XGBoost)进行了比较。数据测量的可靠性非常好(ICC值超过0.95)。与长度相关的指数相比,宽度相关的指数与年龄的相关性更强,且Kvaal指数存在显著的性别差异。在独立测试集上,传统线性回归模型的平均绝对误差(MAE)为8.16至11.22岁。RF和XGBoost的表现明显优于线性回归,在大多数牙齿位置上将MAE降低了约15%至25%。表现最好的模型分别是男性上颌第二前磨牙(牙齿15/25;MAE 6.72岁)和男性下颌侧切牙(牙齿32/42;MAE 7.18岁)。这些发现表明,基于CBCT的牙齿年龄估计结合机器学习可以在一定程度上提高准确性,更好地捕捉与年龄相关的牙齿变化的复杂模式,并为所研究人群的法医应用提供更可靠的年龄估计。需要在不同人群中进行进一步验证。然而,所提出的策略可以作为法医牙齿年龄估计的补充选项。

引言

法医年龄估计在法律、法医学和考古学领域发挥着重要作用[1]、[2]、[3]。准确的年龄估计在法医和法律背景下非常重要,包括识别未知个体(无论是在世还是已故)、评估缺乏有效身份证明的人的年龄,以及解决与年龄相关的民事和行政纠纷(如养老金资格、保险索赔或就业相关冲突),同时支持行政和法律决策(如移民程序和年龄限制服务的获取),所有这些都可能影响司法决策[4]、[5]。
已经使用了一系列生物指标进行年龄估计(如骨骼、牙齿和分子标记),在生长完成前这些指标的性能通常更好,而在成人中由于生物异质性更大和年龄信号较弱,其性能受到限制[6]、[7]、[8]、[9]。牙齿高度矿化,对环境影响具有抵抗力,并遵循明确的发育序列,这使它们成为年龄估计的有吸引力的指标[10]、[11]。牙齿方法在儿童和青少年中具有更高的准确性,因为它们依赖于在放射图像上更容易识别的发育形态变化。然而,在成人中,准确性较低,因为主要依赖于退行性牙齿变化,如咬合磨损和次级牙本质沉积导致牙髓腔缩小。这些变化是累积的,但远不如发育阶段那样规律和个体间差异大[12]、[13]。
在用于成人牙齿年龄估计的所有退行性变化中,次级牙本质沉积提供了一个有用的内部标志物,而咬合磨损则受到饮食、功能和副功能因素的强烈影响,因此作为单一年龄代理不太可靠[14]。随着年龄的增长,成牙本质细胞继续沉积和矿化次级牙本质,从而导致牙髓腔逐渐缩小,这在放射图像上可见[9]、[15]。基于此,Kvaal等人在1995年提出了一种至今仍广泛使用的方法,通常称为Kvaal方法。在这种方法中,测量牙齿和牙髓腔的一些线性特定指标,并将其结合到回归方程中以估计实际年龄[16]。后续研究人员将Kvaal方法应用于全景X光片(OPG),表明其具有一定的适用性。然而,这种方法有几个局限性。无论是根尖X光片还是OPG都只提供二维投影,可能会受到几何失真的影响[17]、[18]。特别是在OPG中,解剖结构的重叠可能会影响测量的可靠性并降低估计准确性[19]。
近年来,随着牙齿成像技术的进步,锥形束计算机断层扫描(CBCT)实现了牙齿的无失真三维可视化,以及对内部牙齿结构的更精确评估,这可能有助于改善标志物的识别和测量标准化[20]、[21]。事实上,先前的研究表明,Kvaal方法中定义的测量值可以使用CBCT图像在三维空间中成功再现[22]、[23]。然而,当与传统的多元线性回归结合使用时,基于CBCT的Kvaal应用的估计误差与2D放射学的估计误差相当,具体取决于人群和牙齿类型[24]、[25]。此外,基于CBCT的Kvaal应用在中国人群中的应用仍然相对有限。
近年来,基于传统放射参数的牙齿年龄估计框架中已经融入了机器学习[26]、[27]。然而,使用基于CBCT调整的Kvaal线性指数训练的机器学习回归器来建模成人实际年龄的证据仍然有限。在中国人群中,这样的证据尤其稀缺,与传统性别特定多元线性回归的直接比较也有限[28]、[29]、[30]。因此,本研究旨在评估基于CBCT的Kvaal指数在中国北方人群中的成人牙齿年龄估计性能,并探讨使用机器学习回归器建模这些3D比率型参数是否可以提高预测准确性, compared with 传统的性别特定多元线性回归。

数据采集

这项横断面观察研究得到了口腔医院医学伦理委员会的批准。本研究从中国北方的一个机构放射数据库中回顾性地选择了400名21至70岁个体的CBCT样本(表1)。所有CBCT检查最初都是为了与年龄估计无关的诊断目的而进行的,没有为这项研究单独进行额外的扫描。CBCT扫描使用KaVo 3D设备获得

测量可靠性和性别差异

观察者内部和观察者之间的再现性非常好,所有ICC值均超过0.95,表明可靠性很高。正态性测试显示参数分布偏离正态分布;因此,使用了Mann–Whitney U检验。测量指数存在显著的性别差异(P < 0.05),因此分别为男性和女性构建了不同的模型。

相关性分析

年龄与个体比率测量之间的皮尔逊相关系数总结在

讨论

在当前的法医年龄估计协议中,牙齿方法被认为是骨骼和临床评估的重要组成部分,我们的发现进一步明确了Kvaal指数在此背景下的作用[35]、[36]、[37]。Kvaal等人最初在挪威样本中开发了Kvaal方法,并明确建议每个群体应自行推导其回归方程[16]。从概念上讲,将Kvaal的指数从二维

局限性和未来展望

这种基于CBCT的方法有几个局限性。首先,CBCT的辐射剂量和成本高于传统的2D放射摄影,因此仅为了年龄估计而进行的扫描很少是合理的。在大多数法医和临床环境中,OPG或根尖X光片仍将是最主要的成像方式。然而,当已有CBCT扫描用于临床目的时,应充分利用它们以实现更高的预测准确性

结论

本研究表明,将三维CBCT成像与机器学习算法相结合,在大多数牙齿位置上可以将平均绝对误差(MAE)降低约1至2年,与性别特定的多元线性回归相比具有显著效果。这表明所提出的方法可以在法医背景下作为一个有价值的补充工具,特别是在CBCT数据因临床原因而有机会获得的情况下。

伦理批准

本研究得到了西安交通大学口腔医院医学伦理委员会的批准(批准编号2025-XJKQIEC-KY-QT-0038-002)。由于影像数据的回顾性和匿名性质,免除了书面知情同意的要求。

资助

本研究得到了中国自然科学基金(项目编号81901926、82402206)、中国陕西省杰出青年学者自然科学基金(项目编号2025JC-JCQN-101)和陕西省自然科学基础研究计划(项目编号2025JC-YBQN-1077)的支持。

作者贡献声明

Xiao Li:验证、调查。Xiaorui Zhan:验证、调查。Wangyue Dai:数据管理。Junyi Wu:数据管理。Yuxin Guo:资金获取、正式分析。Yuhui Shi:正式分析。Junshang Wei:撰写 – 审稿与编辑、调查。Jiachen Ren:撰写 – 初稿、可视化、方法论、正式分析。Haotian Meng:撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。Guo Yu-cheng:监督、资金获取,

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

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