Klinische Validierung einer mobilen 4D-Kamera und Entwicklung einer Analysemethodik für mimische Bewegungen vor dem Hintergrund der kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischen Therapie

by Tim-Boyke Janssen
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-07-08
Date of issue:2025-07-04
Advisor:Prof. Dr. Philipp Franz Meyer-Marcotty
Referee:Prof. Dr. Philipp Franz Meyer-Marcotty
Referee:Prof. Dr. Dr. Henning Schliephake
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11346

 

 

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Abstract

English

Background: Facial expressions are a key component of social interaction and psychological well-being. In the context of combined orthodontic-orthognathic treatment for skeletal dysgnathia, dynamic aspects of facial motion have so far received limited consideration. Although modern 4D imaging technologies offer valuable insights, they are typically expensive and stationary. This study explores the potential of a mobile 4D imaging system for clinical use. Objectives: The study aimed to assess the accuracy of the mobile Intel RealSense D415 camera in comparison to a clinical gold standard (Canfield Vectra H5) and to develop a structured analytical workflow for evaluating facial motion patterns. Furthermore, differences in movement duration, amplitude, and trajectory among patients with skeletal Classes I, II, and III were investigated. Methods: A prospective pilot study was conducted involving 30 participants (10 per skeletal class). Standardized facial expressions (smiling, lip pursing, cheek puffing) were recorded using both imaging systems. A custom analysis method was then developed, based on landmark tracking and geometric morphometrics. Results: The Intel D415 camera demonstrated sufficient accuracy (mean RMS deviation < 1.0 mm) and was considered suitable for clinical applications. Based on the collected data, average motion profiles were generated for each skeletal class. However, only minimal statistically significant differences in motion duration, amplitude, and patterns were observed across the groups. A novel analysis approach developed in collaboration with the Max Planck Institute revealed clear and statistically significant differences between the dysgnathia types under investigation. Conclusion: Mobile 4D camera systems such as the Intel D415 are generally appropriate for the analysis of facial motion and offer promising potential for use in treatment planning, evaluation, and telemedicine. The proposed analytical method presents an innovative framework for future clinical and research applications.
Keywords: 4D camera; Facial motion analysis; Orthodontic-orthognathic therapy; Geometric morphometrics

German

Hintergrund: Mimische Bewegungen sind ein zentrales Element sozialer Interaktion und des psychischen Wohlbefindens. Im Rahmen der kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischen Therapie skelettaler Dysgnathien finden dynamische Aspekte bislang kaum Berücksichtigung. Moderne 4D-Bildgebung ermöglicht neue Einblicke, ist jedoch meist teuer und stationär. Diese Studie untersucht das Potenzial eines mobilen 4D-Systems für den klinischen Einsatz. Ziele: Die Genauigkeit der mobilen Intel RealSense D415-Kamera im Vergleich zum Goldstandard (Canfield Vectra H5) sollte überprüft und ein strukturierter Analyseprozess für mimische Bewegungsmuster entwickelt werden. Zudem wurden Bewegungsunterschiede zwischen Patient*innen mit skelettaler Klasse I, II und III untersucht. Methoden: Im Rahmen einer prospektiven Pilotstudie wurden 30 Proband*innen (je 10 pro Klasse) rekrutiert. Standardisierte mimische Bewegungen (Lächeln, Lippenspitzen, Wangenaufblasen) wurden mit beiden Kamerasystemen aufgezeichnet. Anschließend erfolgte die Entwicklung einer Auswertungsmethodik auf Basis von Landmark-Tracking und geometrischer Morphometrie. Ergebnisse: Hintergrund: Mimische Bewegungen sind ein zentrales Element sozialer Interaktion und des psychischen Wohlbefindens. Im Rahmen der kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischen Therapie skelettaler Dysgnathien finden dynamische Aspekte bislang kaum Berücksichtigung. Moderne 4D-Bildgebung ermöglicht neue Einblicke, ist jedoch meist teuer und stationär. Diese Studie untersucht das Potenzial eines mobilen 4D-Systems für den klinischen Einsatz. Ziele: Die Genauigkeit der mobilen Intel RealSense D415-Kamera im Vergleich zum Goldstandard (Canfield Vectra H5) sollte überprüft und ein strukturierter Analyseprozess für mimische Bewegungsmuster entwickelt werden. Zudem wurden Bewegungsunterschiede (Dauer, Ausmaß und Muster) zwischen Patient*innen mit skelettaler Klasse I, II und III untersucht. Methoden: Im Rahmen einer prospektiven Pilotstudie wurden 30 Proband*innen (je 10 pro Klasse) rekrutiert. Standardisierte mimische Bewegungen (Lächeln, Lippenspitzen, Wangenaufblasen) wurden mit beiden Kamerasystemen aufgezeichnet. Anschließend erfolgte die Entwicklung einer Auswertungsmethodik auf Basis von Landmark-Tracking und geometrischer Morphometrie. Ergebnisse: Die Intel D415 zeigte eine ausreichende Genauigkeit (mittlere RMS-Abweichung < 1,0 mm) und wurde für den klinischen Einsatz als geeignet eingestuft. Auf Grundlage der Daten konnten Durchschnittsprofile je skelettaler Klasse generiert werden. Es zeigten sich jedoch nur wenig signifikante Unterschiede in Dauer, Ausmaß und Bewegungsmuster zwischen den skelettalen Klassen. Einzig ein neuartiger Analyseansatz, der in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut entwickelt wurde, zeigte deutlich signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten Dysgnathieformen. Schlussfolgerung: Mobile 4D-Kamerasysteme wie die Intel D415 eignen sich grundsätzlich für die Analyse mimischer Bewegungen und bieten Potenzial für Anwendung in der Therapieplanung, -bewertung und Telemedizin. Die entwickelte Methodik stellt einen innovativen Ansatz für weitere klinische und forschungsbezogene Anwendungen dar. Schlussfolgerung: Mobile 4D-Kamerasysteme wie die Intel D415 eignen sich grundsätzlich für die Analyse mimischer Bewegungen und bieten Potenzial für Anwendung in der Therapieplanung, -bewertung und Telemedizin. Die entwickelte Methodik stellt einen innovativen Ansatz für weitere klinische und forschungsbezogene Anwendungen dar.
 
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