From geometric morphometrics to clinical classification

Dieses Projekt befasst sich mit einem Paradox in der derzeit angewandten Anthropologie der menschlichen Nasenscheidewand (die Trennwand, die die Nasenhöhle teilt). Weltweit werden jährlich etwa eine Million Septoplastien durchgeführt (im Jahr 2006 wurden 600.000 in den USA durchgeführt, wobei die Rate von 2000 auf 2014 jährlich um 3,7% gestiegen ist). Die Operation wurde durchgeführt, um "Abweichungen" der Nasenscheidewand zu korrigieren – gemeint sind Abweichungen von der Ebenheit der gemischten knorpeligen Knochenplatte. Das Problem ist, dass die Erfolgsmessungen des Chirurgen häufig von der Wahrnehmung der Symptome durch die Patienten abweichen, wobei nur wenige qualitativ hochwertige Beweise die Behauptung stützen, dass diese Operationen förderlich sind. Die "Arten von abweichendem Septum" sind vielen Klassifizierungsschemata unterworfen worden, die oft untereinander widersprüchlich sind, nicht mit spezifischen Verfahren verbunden sind, und nicht evidenzbasiert im Hinblick auf die Übereinstimmung mit akzeptierten Standards der Beurteilung der präoperativen Funktion und der postoperativen Verbesserung. Ziel dieser Dissertation war es, zu untersuchen, ob das Standard-Toolkit der geometrischen Morphometrie (GMM) - die Statistik der biologischen Form bei der Segmentierung der (zweiseitigen) septalen Oberfläche - diesen Problemzusammenhang klären könnte, entweder durch Bestätigung der Gültigkeit einer bestehenden Klassifikation, oder durch die Entwicklung von funktionellen Messungen, die eine Operation rechtfertigen könnten. Die gewählte Klassifikation wurde 1987 vom kroatischen Hals-Nasen-Ohrenarzt Ranko Mladina entwickelt (mit späteren Revisionen). Mladina hat die Welt der Abweichungen in sieben Typen unterteilt, von denen die schwerwiegendste, "T6" (Typ 6), ein Schwerpunkt meiner Ergebnisse sein wird. Diese Klassen wurden subjektiv basierend auf veröffentlichten verbalen Beschreibungen des Septums zugeordnet, wie sie aus CT und klinischer Untersuchung visualisiert wurden. An der Zuordnung dieser Klassen waren keine Quantifizierungen beteiligt. Zunächst erfolgte die Quantifizierung dieser Klassen durch Anwendung des GMM-Toolkits auf meine Segmentierung der Septumoberflächen. GMM, eine Spezialität der Abteilung für Bioanthropologie der Universität Wien, drückt einen Datensatz biologischer Formen als eine Sammlung von kartesischen Koordinaten (x, y und z) von markierten Punkten (Orientierungspunkten) zusammen mit Punktketten (Semi- Orientierungspunkten) entlang von Kurven und Maschen von Punkten auf Oberflächen (Oberflächen-Semi-Orientierungspunkten). Die Punkte, die ich digitalisierte, beinhalteten fünf Orientierungspunkte (am meisten anteriorer / inferiorer Punkt an der NS, Foramen caecum, Ethmoid-Sphenoid, Sphenoid-Vomer, Vomer-Palatin), zwei Kurven (anteriores Nasenseptum, hinteres Nasenseptum) und jeweils ein Netz der zwei Oberflächen mit 132 getrennten Punkten. Zusätzlich wurden 5 weitere Landmarken (Basion, Pharynxbefestigung am Sphenoid, Sella turcica (Boden), Sella turcica (posterior) und Opisthion) auf der hinteren Schädelbasis ausgewählt, um eine "anatomische Mittelebene" mit Bezug zu definieren, zu welchem die Septumabweichungen bewertet würden. Eine GMM-Analyse durchläuft drei Schritte: Reduktion der Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem, multivariate statistische Analyse der standardisierten Formen und graphische Darstellung der durch die Analyse aufgedeckten Muster, beschränkt auf die Septumdaten selbst oder in Kombination mit der klinischen Typologie. Die untersuchte Probe umfasste 49 Septen mit einer nicht-trivialen Mladina-Klassifikation, ausgewählt aus einem Angebot von 92 von einer Klinik der Universität Graz, die sie wiederum aus ihrer Anhäufung von 2000 erwachsenen CTs auswählten. Die septalen Formen wurden nach der sogenannten Procrustes-Technik (Anpassung für durchschnittliche Position, Größe und Orientierung) auf einen gemeinsamen Mittelwert registriert, die statistische Analyse erfolgte nach der herkömmlichen Technik der "relativen Ketten" (Hauptkomponenten aller drei kartesischen Koordinaten zur gleichen Zeit), und die Anzeige erfolgte durch eine Kombination von TPS-Graphen (Thin-Plate Spline) für die Septumdeformation in der Ebene zusammen mit Streuungen von Hauptkomponenten-Scores, die durch die entsprechende Mladina-Typennummer gekennzeichnet sind. GMM geht davon aus, dass korrespondierende Punkte des Septumnetzes biologisch gleichwertigen Formmerkmalen entsprechen. Diese Analyse ist offensichtlich fehlgeschlagen, da sogar die Mladina-Art der größten Deformität (T6) ihre Mitglieder über die resultierenden Hauptkomponenten-Streudiagramme verteilt fand: Es gab keine besondere Beziehung zwischen den Septalenformkoordinaten und der Mladina-Klassifikation. Die Erkenntnis, dass ein anderer Ansatz zur Datenanalyse erforderlich war, kam zur gleichen Zeit wie die Entdeckung einer großen nicht erkannten Ressource: das Lebenswerk eines selten übersetzten japanischen HNO-Arztes Ryo Takahashi, der die Veränderung der Nasenscheidewand beim Homo Sapiens als Folge der Entwicklungstendenzen unserer Arten betrachtete. Diese Septumabweichung, die bei 98% aller erwachsenen Männer und bei über 90% der Frauen beobachtet wurde, war ein Ausdruck der inkompatiblen Kräfte auf die verschiedenen Rahmenstrukturen der Nasenhöhle. Insbesondere entsprachen die schwersten Fälle einer Abweichung dem Knicken der entsprechenden knorpeligen Knochenoberflächen während des Wachstums und der Entwicklung. Statt einer vereinfachten Klassifikation bot Takahashi diagnostische Systematik an, um ein verformtes Septum zu analysieren, das letztendlich die Kräfte und ihre Auswirkung auf die Morphologie der verschiedenen Unterbereiche des Septums in verschiedenen Richtungen und unter Berücksichtigung des Wechselspiels zwischen den angrenzenden Strukturen erklären würde - Strukturen wie die Nasenmuscheln. Von dieser Theorie folgte sofort eine Kritik des klassischen GMM-Ansatzes: Da die Position des Knickens mehr oder weniger unabhängig von dessen Größe war, war die Annahme von GMM in Bezug auf Homologie nicht gültig. Die alternative Methode, die im Lichte von Takahashis Theorie konstruiert wurde, wählte zwei spezifische Werkzeuge von GMM aus und verwirft den Rest. Erstens registrierten wir alle Fälle von Septumoberflächen auf der hinteren anatomischen Mittelebene und nicht auf ihrem eigenen Durchschnitt. Zweitens haben wir anstelle des standardmäßigen relativen Verzerrungsschemas (Hauptkomponenten in 3D) diese Variationen ohne Zentrierung betrachtet, nur in einer Dimension (der mediolateralen), ausgedrückt in einem apriorischem System von orthogonalen Mustern, den partiellen Ketten. Diese beschreiben die Art und Weise, wie ein Spline mit dünnen Platten bei der Minimierung der Biegungsenergie durch ein Spektrum von Mustern auf verschiedenen räumlichen Skalen ankommt. Meine Musteranalyse erfolgte in Form eines Bandpassfilters, einer Untersuchung der Bandbreite von Teilspektren, um zu sehen, welche die Mladina T6-Kategorie am besten erklären könnte. Diese stark modifizierte Methode hat hervorragend funktioniert. Ein spezieller Bandpassfilter (Tiefpass summiert über die ersten 19 Teilketten in der Reihenfolge der Biegeenergie) trennte die fünf Mladina's T6 unter den neun Proben mit der höchsten Biegeenergie von der Probe von 49 perfekt. Von den zusätzlichen vier stark verformten Proben, waren zwei Mladina Klasse T7, ein T4 und ein T3. Die Gütezahl für dieses Bandpassfilter kann als ein sorgfältig abgestimmtes Maß für die Oberflächenrauigkeit mehrerer Skalen erklärt werden. Es bleibt abzuwarten, ob Rauheitsmessungen mit den subjektiven Symptomen der respiratorischen Schwierigkeit übereinstimmen, die die Hauptgründe dafür sind, dass Patienten sich überhaupt behandeln lassen. Eine solche Verbindung ist plausibel, da diese schweren Deformitäten häufig die Nasenklappenregion betreffen, wo die Obstruktion die größte Auswirkung auf die Luftströmung hat. Ein abschließender Überblick über den aktuellen Stand der rechnerischen fluid-dynamischen Analysen der Nasenhöhle, ein biotechnischer Schub, der ebenfalls auf der Annahme beruht, dass der Luftfluss die Ursache der Symptomatologie ist, skizziert eine Reihe quantitativer Untersuchungen, die die Diagnostik in diesem Bereich optimieren könnten, um die Anzahl der Operationen zu reduzieren, bei denen keine Symptome gemildert werden. Wir glauben, dass dieses Projekt ein nützliches Licht auf die Frage geworfen hat, was erforderlich ist, um Visualisierungstechniken von einem Bereich der Biologie (Paläoanthropologie) auf einen anderen zu übertragen, der viel enger mit der Biophysik einer essentiellen menschlichen Funktion (hier Atmung) ausgerichtet ist. Wir haben vielleicht einen ganz neuen Zweig für angewandte Anthropologie eröffnet.This project is concerned with a paradox in the current applied anthropology of the human nasal septum (the partition that halves the nasal cavity). Worldwide, perhaps a million septoplasties are performed annually (In 2006, 600,000 were performed in the USA, with the rate increasing from 2000 to 2014 at 3.7% annually). The surgery was performed to “correct deviations” of the nasal septum, meaning deviations from flatness of the mixed cartilaginous-bony panel. The problem is that the surgeon’s measures of success are frequently at variance with patients’ perception of symptom alleviation, with little high-quality evidence supporting claims that these surgeries are beneficial. The “types of deviated septum” have been subjected to many classification schemes, often contradictory among themselves, not associated with specific procedures, and not evidence-based in terms of matching any accepted standards of assessment of presurgical function and postsurgical improvement. The purpose of this dissertation was to assess if the standard toolkit of geometric morphometrics (GMM) – the statistics of biological form when applied to segmentations of the (two-sided) septal surface would clarify this nexus of problems, either by confirming the validity of an existing classification or through the development of functional measurements that might justify surgery. The classification chosen was developed by the Croatian otorhinolaryngologist Ranko Mladina in 1987 (with later revisions). Mladina divided the world of deviations into seven types of which the most serious, “T6” (Type 6), will be a focus of my findings. These classes were assigned subjectively based on published verbal descriptions of the septum as visualized from CT and clinical examination. There were no quantifications involved in the assignment of these classes. Initially the quantification of these classes was by applying the GMM toolkit to my segmentation of the septal surfaces. GMM, a specialty of the department of bioanthropology of the University of Vienna, expresses a data set of biological forms as a collection of Cartesian coordinates (x, y, and z) of labelled points (landmarks) along with chains of points (semilandmarks) along curves and meshes of points upon surfaces (surface semilandmarks). The points I digitized included five landmarks (most anterior/inferior point on the NS, foramen caecum, ethmoid-sphenoid, sphenoid-vomer, vomer-palatine), two curves (anterior nasal septum, posterior nasal septum), and a mesh for each of the two surfaces with 132 separate points. In addition there were 5 other landmarks (Basion, pharyngeal attachment to the sphenoid, sella turcica (floor), sella turcica (posterior), and opisthion) chosen on the posterior cranial base in order to define an “anatomical mid-plane” with respect to which the septum’s deviations would be assessed. A GMM analysis proceeds through three steps: reduction of the data to a common coordinate system, multivariate statistical analysis of the standardized forms, and graphical display of the patterns revealed by the analysis, restricted to the septal data itself or in combination with the clinical typology. The sample studied comprised 49 septa having a nontrivial Mladina classification, selected from an offering of 92 from a clinic at the University of Graz that selected them, in turn, from their accumulation of some 2000 adult CTs. The septal forms were registered to a common average by the so-called Procrustes technique (adjustment for average position, size, and orientation), statistical analysis was by the conventional technique of “relative warps” (principal components of all three Cartesian coordinates at the same time), and display was by a combination of thin-plate spline (TPS) graphs for in-plane septal deformation together with scatters of principal component scores tagged by the corresponding Mladina type number. GMM assumes that corresponding points of the septal mesh corresponded to biologically homologous shape features. This analysis obviously failed, as even the Mladina type of greatest deformity (T6) found its members distributed all over the resulting principal component scatterplots: there was no particular relation between the septal shape coordinates and the Mladina classification. The realization that another approach to data analysis was required came at the same time as the discovery of a major unrecognized resource: the life work of a rarely translated Japanese otorhinolaryngologist, Ryo Takahashi, who couched the variation of the nasal septum in Homo sapiens as a consequence of trends in the evolution of our species. That septal deviation observed in 98% of all adult males and over 90% of females was an expression of the incompatible forces on the various framing structures of the nasal cavity. In particular, the most severe cases of deviation corresponded to buckling of the corresponding cartilaginous-osseous surfaces during growth and development. Rather than a simplistic classification, Takahashi offered diagnostic systematics to analyse a deformed septum that would ultimately account for the forces and their effect on the morphology of the various sub-regions of the septum, in different directions, and with consideration of the interplay between adjoining structures such as the nasal turbinates. From this theory a critique of the classic GMM approach immediately followed: since the position of the buckling was more or less independent of its magnitude, the assumption of GMM in respect to homology was not valid. The alternative method constructed in light of Takahashi’s theory selected two specific tools from GMM and discarded the rest. First, we registered all instances of either septal surface on the posterior anatomical mid-plane rather than on their own average. Second, in place of the standard relative warp scheme (principal components in 3D), we considered these variations without centering, in only one dimension (the mediolateral), as expressed in terms of an a-priori system of orthogonal patterns, the partial warps that describe the way a thin-plate spline arrives at its minimization of bending energy by a spectrum of patterns at different spatial scales. My pattern analysis took the form of a bandpass filter, an exploration of the range of partial spectra to see which best might account for the Mladina T6 category. This highly modified method worked superbly. One particular bandpass filter (low-pass summed over the first 19 partial warps in order of bending energy) perfectly segregated the five Mladina’s T6s among the nine specimens having the highest bending energy from the sample of 49. Of the additional four severely deformed specimens, two were Mladina class T7, one T4, and one T3. The figure of merit for this bandpass filter can be explained as a carefully tuned measure of multiscale surface roughness. It remains to be determined if measures of roughness are aligned with the subjective symptoms of respiratory difficulty that are the main reasons that patients seek treatment in the first place. Such a connection is plausible as these severe deformities frequently involve the nasal valve region, where obstruction has the greatest effect on airflow. A closing review of the current state of computational fluid dynamic analyses of the nasal cavity, a bioengineering thrust likewise based on the assumption that airflow is at the root of symptomatology, sketches a series of quantitative investigations that might optimize diagnostics in this area so as to reduce the number of surgeries that fail to ameliorate whatever symptoms are reported. We believe that this project has shed a useful light on what is required to translate visualization techniques from one domain of biology (paleoanthropology) to another that is much more tightly aligned with the biophysics of an essential human function (here, breathing). We may have opened a whole new branch for applied anthropology